Cienkie jak papier zwijane w rulon wyświetlacze albo szyba samochodowa, która w razie potrzeby staje się ekranem - to możliwe - przekonują naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, pracujący nad układami elektronicznymi z tworzyw sztucznych
"Materiały organiczne zmienią oblicze elektroniki. Urządzenia staną się nie tylko tańsze, cieńsze i lżejsze, ale także zyskają cechy niespotykane dotychczas. Wyświetlacze będzie można zwijać w rulon lub wytwarzać z przezroczystych elementów i nanosić bezpośrednio na szyby, na przykład w samochodach. Grupie naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN, we współpracy z pracownikami Politechniki Warszawskiej i Komisariatu d/s Energetyki Atomowej w Grenoble udało się ustalić, w jaki sposób można wytwarzać cienkie warstwy polimerów o wysokim stopniu uporządkowania - kluczowy element w procesie produkcji układów elektronicznych ze związków organicznych" - poinformowało PAP biuro prasowe Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF).
Jak tłumaczył prof. Robert Nowakowski, kierownik grupy badawczej z IChF, cała trudność polega na tym, żeby zmusić przedmiot wykonany z tworzywa sztucznego, aby przewodził prąd. Nowakowski podkreślił, że cząsteczki związków organicznych przewodzą prąd, ale zbudowane z nich większe obiekty - już niekoniecznie.
"W metalach chmura elektronów może się poruszać w dowolnym kierunku, podczas gdy nośniki prądu (elektrony - PAP) w cząsteczkach organicznych przemieszczają się wzdłuż tzw. sprzężonych wiązań podwójnych. Fakt ten oznacza dużą ruchliwość nośników tylko w jednym kierunku: wzdłuż osi podłużnej cząsteczki. W tej sytuacji poprawę przewodności można otrzymać przez wydłużanie cząsteczek, czyli użycie związków wielkocząsteczkowych - polimerów. Rozwiązanie to ma jednak wadę. Polimery wielkocząsteczkowe znacznie trudniej tworzą uporządkowane warstwy. W rezultacie często układają się przypadkowo, co prowadzi do chaotycznego przemieszczania się nośników prądu (elektron, po przejściu przez długą, zwiniętą w kłębek makrocząsteczkę, może się znaleźć niemal w tym samym miejscu warstwy, w którym zaczynał wędrówkę)" - napisano w przesłanym PAP komunikacie.
Naukowcy, badając polimery przygotowane przez chemików z Politechniki Warszawskiej odkryli, jak układają się cząsteczki polimerów w cienkich warstwach tworzywa sztucznego oraz jak można tym ułożeniem kierować. "Zbadaliśmy, jak w warstwach zmienia się organizacja cząsteczek w zależności od ich długości. Dzięki temu rozumiemy, dlaczego krótsze cząsteczki łączą się w uporządkowane struktury dwuwymiarowe, a bardzo długie cząsteczki tworzą chaotyczne agregacje. Ten ostatni, niekorzystny efekt potrafimy teraz skutecznie eliminować" - mówił prof. Nowakowski.
Okazało się, że specyficzne fragmenty cząsteczek, tzw. grupy alkilowe, mniejszym (krótszym) cząsteczkom pomagają łączyć się w uporządkowane struktury, ale dłuższym przeszkadzają. Naniesiona na płaską powierzchnię warstwa tworzywa złożonego z krótszych cząsteczek układała się w rozległe "wyspy", złożone z przylegających do siebie, ułożonych równolegle cząsteczek. Natomiast dłuższe cząsteczki mają tendencję do układania się w "kolumny" jedna za drugą.
Oba zjawiska powodowane są przez wzajemne "zazębianie" się grup alkilowych sąsiadujących ze sobą cząsteczek. Przy czym efekt tego "zazębiania" jest zależny od długości polimeru. "Wydłużenie cząsteczki zwiększa liczbę grup alkilowych oddziałujących jedynie w kierunku prostopadłym do jej osi i prowadzi do asymetrii oddziaływań międzycząsteczkowych" - czytamy w komunikacie.
Ponieważ substancja, której chcieli użyć naukowcy, składała się z cząsteczek o różnej długości, powstawała warstwa tworzywa sztucznego o chaotycznej budowie, co uniemożliwiało jej odpowiednie przewodzenie prądu.
Ten problem udało się pokonać grupie prof. Małgorzaty Zagórskiej z Politechniki Warszawskiej. Naukowcy zsyntetyzowali cząsteczki z grupami alkilowymi zbudowanymi w inny sposób i okazało się, że te cząsteczki układają się równo. "W tak zsyntetyzowanych związkach nie zaobserwowano niekorzystnych efektów w samoorganizacji: cząsteczki różnej długości tworzyły uporządkowane wyspy. Otrzymane uporządkowanie charakteryzuje się korzystnymi właściwościami półprzewodnikowymi, ponieważ rdzenie oddziałujące bezpośrednio wzdłuż osi podłużnej gwarantują zwiększenie efektywnej ruchliwości nośników ładunku" - napisano w komunikacie.