I polimeri semiconduttori sono un gruppo indisciplinato, ma gli ingegneri dell'Università del Michigan hanno sviluppato un nuovo metodo per metterli in riga che potrebbe aprire la strada a prezzi più economici, più verde, elettronica in plastica "dipinta".

"Questo è per la prima volta uno strato sottile, condurre, film altamente allineato per alte prestazioni, verniciabile, elettronica in plastica scrivibile direttamente, " ha detto Jinsang Kim, professore di scienze e ingegneria dei materiali, che ha condotto la ricerca pubblicata in Materiali della natura .

I semiconduttori sono l'ingrediente chiave per i processori dei computer, celle solari e display a LED, ma sono costosi. I semiconduttori inorganici come il silicio richiedono alte temperature superiori a 2, 000 gradi Fahrenheit e costosi sistemi di vuoto per la trasformazione in elettronica, ma i semiconduttori organici e plastici possono essere preparati su un banco di laboratorio di base.

Il guaio è che i portatori di carica, come gli elettroni, non possono muoversi attraverso la plastica con la stessa facilità con cui possono muoversi attraverso i semiconduttori inorganici, ha detto Kim. Parte del motivo è che ogni molecola di polimero semiconduttore è come un filo corto, e questi fili sono disposti in modo casuale.

"La mobilità della carica lungo le catene polimeriche è molto più rapida che tra i polimeri, " ha detto Kim.

Per sfruttare la buona conduzione lungo i polimeri, gruppi di ricerca hanno cercato di allinearli in un'autostrada a pagamento, ma è un po' come cercare di sistemare delle linguine nanoscopiche.

Il gruppo di Kim ha affrontato il problema realizzando polimeri semiconduttori più intelligenti. Volevano una soluzione polimerica liquida che potessero sfiorare una superficie, e le molecole si allineeranno automaticamente l'una con l'altra nella direzione della corsa, assemblaggio in film a strato sottile semiconduttore ad alte prestazioni.

Primo, hanno progettato i polimeri in modo che fossero scivolosi:i polimeri ordinari si uniscono come le tagliatelle piatte lasciate nel frigorifero, ha detto Kim. Scegliendo polimeri dal twist naturale, il team ha impedito loro di attaccarsi l'un l'altro nella soluzione. Ma per allinearsi durante la pennellata, i polimeri necessari per attrarsi sottilmente l'un l'altro. Le superfici piatte lo farebbero, quindi il team ha progettato il loro polimero in modo che si srotolasse mentre il solvente si asciugava.

Hanno impedito ai polimeri non allineati di formare grossi pezzi aggiungendo bracci flessibili che si estendevano ai lati dell'appartamento, polimero simile al filo. Questi bracci impedivano un contatto troppo ravvicinato tra i polimeri mentre l'ingombro dei bracci impediva loro di impigliarsi l'uno sull'altro. I polimeri con queste proprietà si allineeranno nella direzione di una forza applicata, come lo strattone di un pennello.

"È una grande svolta, " Kim ha detto. "Abbiamo stabilito un principio di progettazione molecolare completo di polimeri semiconduttori con capacità di allineamento diretto".

E funziona. Il team ha creato molecole che corrispondevano al loro design e ha costruito un dispositivo per diffondere la soluzione polimerica su superfici come il vetro o una pellicola di plastica flessibile. La forza della lama di silicio, muovendosi a velocità costante attraverso il polimero liquido, bastava per allineare le molecole.

Il team ha quindi costruito il film semiconduttore in un semplice transistor, una versione dei componenti elettronici che compongono i processori dei computer. Il dispositivo ha dimostrato l'importanza dell'allineamento del polimero mostrando che i portatori di carica si sono mossi 1, 000 volte più veloce nella direzione parallela alla pennellata della lama di silicone rispetto a quando incrocia la direzione della pennellata.

"Combinando il consolidato principio di progettazione molecolare con un polimero che ha un'ottima mobilità intrinseca dei portatori di carica, crediamo che farà un'enorme differenza nell'elettronica organica, "Stiamo attualmente sviluppando un metodo di fabbricazione versatile per realizzare componenti elettronici in plastica verniciabili e ad alte prestazioni in varie scale di lunghezza, dai nanometri ai metri".

Kim crede che la tecnica funzionerà ugualmente bene con pennini di penna su scala atomica o grandi applicatori simili a cazzuole per realizzare dispositivi elettronici di tutte le dimensioni come display a LED o rivestimenti che assorbono la luce per celle solari.

Il documento è intitolato "Un principio di progettazione molecolare di polimeri coniugati liquido-cristallini liotropici con capacità di allineamento diretto per l'elettronica di plastica".