Un modo per visualizzare i filamenti di PCDTPT, i ricercatori della materia plastica conduttiva studiati in questo lavoro, è come una collezione di vermi gommosi. Credito:Sean Kelley/NIST
Hai mai sentito parlare di smartphone pieghevoli? Che ne dici dello schermo televisivo flessibile che si arrotola in una scatola? O i televisori "carta da parati" ultrasottili che hanno uno spessore di pochi millimetri?
Un futuro con pieghevole, pieghevole, l'elettronica flessibile e ultrasottile sta rapidamente diventando il nostro presente. I materiali responsabili di questi beni di consumo sono in genere i polimeri, le plastiche, che conducono l'elettricità. Per comprendere meglio questa promettente classe di sostanze, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno sviluppato una tecnica che utilizza la luce per testare in modo rapido e accurato la conduttività dei materiali e potenzialmente rivelare comportamenti che altri metodi non potrebbero. Ora, il team del NIST ha dimostrato l'ulteriore utilità di questo metodo basato sulla luce utilizzandolo per scoprire un comportamento in un polimero che nessuno aveva mai visto prima.
Gli scienziati riferiscono oggi i loro risultati nel Journal of Physical Chemistry C .
Il lavoro è l'ultimo contributo del NIST alla ricerca di sviluppare strumenti di misurazione per studiare nuovi materiali da utilizzare in tutti i diversi tipi di trasmissione elettronica, dai biosensori pieghevoli ai telefoni cellulari e alle celle solari.
"C'è un mercato in crescita per i display flessibili e gli smartphone, e mantenendo le cose più piccole, più flessibile e più facile da produrre in serie, " ha detto Tim Magnanelli, Chimico ricercatore del NIST e borsista post-dottorato del Consiglio nazionale delle ricerche. "Semplificare il processo di test di conducibilità potrebbe essere molto prezioso per i ricercatori del settore che vogliono solo sapere, "Stiamo andando nella giusta direzione con una modifica particolare? Questo migliora il materiale?'"
Plastiche che conducono elettricità
La maggior parte degli elettrodomestici di consumo come i laptop e persino i computer nelle lavatrici sono basati sulla tecnologia al silicio. Il silicio è un materiale eccellente per controllare la conduzione dell'elettricità a causa della facilità con cui i "portatori di carica" sono in grado di muoversi all'interno di un cristallo di silicio. I portatori negativi sono gli elettroni; i portatori positivi sono indicati come "buchi" e sono luoghi in cui manca un elettrone.
Sebbene le materie plastiche siano state studiate e ampiamente utilizzate sin dal XIX secolo, le plastiche conduttive stanno appena iniziando ad essere utilizzate per l'elettronica commerciale tradizionale. Tendono ad essere un po' meno efficienti del silicio nel condurre l'elettricità, il che significa che generalmente c'è meno movimento dei portatori di carica all'interno dei materiali. Però, le plastiche non sono flessibili solo dove il silicio è rigido, sono anche più leggeri e personalizzabili e spesso sono più economici e più facili da fabbricare. Possono anche essere trasparenti.
Costruito come un verme gommoso:ogni filo di PCDTPT è composto da due parti che si alternano come i colori di una caramella gommosa. Una parte (blu) è un donatore di elettroni, il che significa che tende a cedere elettroni. L'altra parte (verde) è un accettore di elettroni, nel senso che attrae gli elettroni. L'imballaggio di molti fili PCDTPT uno accanto all'altro in un film sottile consente agli elettroni di muoversi liberamente nel materiale, condurre elettricità. Credito:Sean Kelley/NIST
Il modo tipico per testare la conduttività di un materiale è saldare i contatti su di esso. Ma mentre i contatti si attaccano bene al silicio, non è sempre possibile fare una buona connessione con un polimero. Anche con una buona connessione, possono ancora essere presenti difetti sulla superficie del materiale che ne alterano la conducibilità misurata. Anche l'applicazione dei contatti a ciascun campione richiede tempo, allungando il processo di test e impedendo potenzialmente ai produttori di utilizzare il campione come componente del dispositivo.
Per affrontare questi problemi, alcuni anni fa il ricercatore chimico del NIST Ted Heilweil progettò un rapido, metodo senza contatto per misurare la conduttività direzionale che si basa su due tipi di luce. Primo, usa impulsi ultracorti di luce visibile per creare elettroni e buchi all'interno di un campione. Quindi, illumina il campione con radiazione polarizzata terahertz (THz), che ha una lunghezza d'onda molto più lunga di quella che l'occhio umano può vedere, nel lontano infrarosso a microonde.
A differenza della luce visibile, La luce THz può penetrare anche materiali opachi come campioni di polimeri relativamente spessi e semiconduttori solidi. Quanta di quella luce penetra nel campione dipende da quanti portatori di carica si muovono liberamente, indicando la sua conduttività. Questo nuovo metodo rivela anche se le cariche si muovono più facilmente attraverso il materiale in una particolare direzione.
Risultati a sorpresa
Nell'ultimo studio, Heilweil e Magnanelli utilizzano per la prima volta il loro metodo THz su due polimeri conduttivi, scelti perché sono polimeri semplici da studiare e confrontare. Il primo, chiamato PCDTPT, è relativamente nuovo. Una sua catena è costituita da due diverse molecole collegate da un capo all'altro e che si alternano come i colori su un verme gommoso. Una molecola nella catena è un "donatore, " che assorbe la luce e produce portatori di carica. L'altra molecola è un "accettore, " che attrae i portatori di carica, inducendoli a muoversi lungo la catena e attorno al campione.
Il secondo polimero testato in questo lavoro, chiamato P3HT, è stato utilizzato per il confronto perché è stato studiato molto più a fondo. Contiene solo una molecola ripetitiva e ha un carattere più casuale, struttura meno ordinata di PCDTPT. Rispetto al silicio, PCDTPT produce circa tre ordini di grandezza in meno di conduzione, e P3HT produce circa quattro ordini di grandezza in meno.
Heilweil e Magnanelli hanno testato per la prima volta entrambe le sostanze sotto forma di nanofilm, essenzialmente un campione sottile ma solido. Il loro obiettivo era quello di contrastare le proprietà conduttive del film PCDTPT durante l'esame lungo e attraverso i fili.
Allora loro, sospese entrambe le molecole in un liquido non conduttore che impediva loro di interagire elettronicamente e comunicare tra loro. Come previsto da precedenti esperimenti, la soluzione P3HT non ha mostrato conducibilità misurabile.
Solido contro liquido:utilizzo di vermi gommosi come sostituto per i fili PCDTPT, queste immagini raffigurano il materiale PCDTPT in due forme:come solido (in alto) e sospeso in un liquido (in basso). In forma solida, i vermi gommosi si toccano, e l'elettricità può fluire da un verme all'altro. Quando sospeso in un liquido, anche se, ogni verme gommoso è più isolato, e l'elettricità non può fluire facilmente tra i vermi. Nell'esperimento NIST, i ricercatori hanno scoperto che i fili di PCDTPT erano conduttivi nel liquido tanto quanto lo erano in forma solida, il che suggerisce che la conduttività si verifica non tanto tra i fili/vermi gommosi quanto lungo un singolo filo/vermi gommosi. Credito:Sean Kelley/NIST
Con loro sorpresa, però, la soluzione PCDTPT ha mostrato conduttività. Non solo quello, ma ha mostrato la stessa conduttività in soluzione come ha mostrato in forma solida.
"È stato stupefacente, " Ha detto Heilweil. "Non abbiamo mai visto quel comportamento in nessun altro polimero prima".
Poiché le molecole PCDTPT erano più isolate l'una dall'altra nel campione liquido, la scoperta implica per i ricercatori che la conduttività in PCDTPT avviene all'interno e lungo i singoli filamenti polimerici (cioè all'interno di un singolo verme gommoso), non tra filamenti polimerici (cioè tra diversi vermi gommosi), contrariamente a quanto la maggior parte degli scienziati pensava in precedenza.
"Non avremmo potuto scoprire queste informazioni utilizzando il convenzionale, metodo basato sul contatto, " ha detto Magnanelli.
Il fisico del NIST Lee Richter e il ricercatore ospite Sebastian Engmann, che ha preparato i campioni, aveva testato i materiali polimerici direzionali nel modo convenzionale, applicando i contatti. L'utilizzo del metodo terahertz "ha fatto un ulteriore passo avanti" consentendo ai ricercatori "non solo di considerare cosa sta succedendo sulla superficie in cui metti il contatto, ma invece di guardare attraverso l'intero livello, " ha detto Magnanelli.
Andando avanti, Heilweil e Magnanelli sperano di esplorare le proprietà di polimeri simili disponibili in commercio e altri ottenuti da Richter. La conduttività a sorpresa del PCDTPT quando sospeso in un liquido "potrebbe essere la punta dell'iceberg, perché forse un altro polimero avrà anche una conduttività molto migliore del previsto" ha detto Magnanelli. "Il cielo è il limite".
Sebbene né PCDTPT né P3HT stessi saranno probabilmente particolarmente utili per dispositivi elettronici di consumo su larga scala, Heilweil sottolinea che porre le domande giuste, trovando modi nuovi e migliori di progettare, orientare e misurare le proprietà del materiale:può mostrare ai ricercatori che un materiale precedentemente poco interessante può funzionare molto meglio di quanto chiunque pensasse.
"La previsione potrebbe essere che anche se siamo ancora agli inizi in termini di comprensione di come si comportano questi polimeri, potremmo arrivare a un punto in cui sono così buoni da competere persino con il silicio, " Heilweil ha detto. "Questo è un tiro lungo, ma molto possibile".
