پلیمرهای مزدوج

پلیمر های مزدوج به چه موادی گفته می‌شود و چه خواصی دارد؟

پلیمرهای مزدوج انواعی از مولکول های بزرگ ارگانیک می‌باشند که در زنجیره اصلی آنها پیوند های تکی و دوتایی به صورت تناوبی قرار گرفتند. از آنجایی که اوربیتالهای p در این مواد با یکدیگر تداخل دارند و سیستمی از الکترونهای پی را به وجود می آورند که دچار جابجایی شده اند، در نهایت این امکان وجود دارد که از خواص ویژه برقی و بصری این مواد بتوان برای تولید محصولات متفاوت استفاده کرد.

تاریخچه پلیمرهای مزدوج

پلیمر ها تا قبل از سال ۱۹۷۰ به عنوان مواد عایق شناخته می شدند و مصارف مختلفی در حوزه های متفاوت داشتند. در حوزه برق و الکترونیک این مواد به صورت عمده ای برای تولید مواد عایق به کار برده می شدند زیرا مقاومت بسیار بالایی داشتند. شاید نیازی به عنوان این مسئله نباشد اما پلیمرها در هر قسمت از زندگی ما دیده می‌شوند و در انواعی از محصولات نیز به کار برده شده اند. پیشرفت های جدیدی که در حوزه شیمی پلیمر به وجود آمد شامل کشف پلیمرهای ارگانیک می‌شود که خواص فلزی دارند. از سال‌ها قبل خواص پلین های دارای زنجیره های بلند برای به کارگیری به عنوان رساناها و یا نیمه رساناها مورد تحقیق قرار گرفته است. اگر چه نوعی از پلین که دارای بلندترین زنجیره موجود می باشند، بیش از ۲۰ واحد وینیلین را شامل نمی شود. در سال ۱۹۵۸ بسپارش استیلن به زنجیره‌های پلین بسیار بلند با استفاده از کاتالیزورهای زیگلر ناتا با موفقیت انجام گرفت. محصول نهایی به دست آمده از واکنشهای اولیه پلی استیلن بود و رسانایی قرص نیز با قرار گیری در معرض پذیرنده های قوی مانند I2 یا AsF5 به مقدار فراوان افزایش پیدا کرد. اوایل دهه ۷۰ شیمیدان ژاپنی با نام شیراکاوا متوجه شد که می توان فیلم های پلی استیلنی را به روش جدید سنتز کرد. در این روش وی موفق شد تا نسبت ایزومرهای سیس و ترانس و همچنین شکل ظاهری پلی استیلن که در داخل ظروف واکنشی دیده میشوند، را کنترل کند. در این آزمایشات به صورت تصادفی مقدار بسیار زیادی از کاتالیزورها به واکنش اضافه شد. بنا بر نتایج به وجود آمده ( که برای وی بسیار عجیب بود) پوشش های نقره مانند زیبا بر روی سطح مایع کاتالیزوری تولید شد و این اتفاق برای وی بسیار الهام بخش بود. فیلم نقره‌ای رنگ در واقع فیلم‌های ترانس پلی‌اتیلن بود. پس از آن واکنش مشابهی در دمای منفی ۷۸ درجه سانتیگراد انجام شد که باعث شد تا یک فیلم مسی مانند تولید شود. فیلم دوم از پلی اتیلن سیس خالص تولید شد و در واقع مشخص شد تا با ایجاد تفاوت‌هایی در دما و غلظت کاتالیزور می تواند واکنش های یاد شده را تغییر دهد. در سال ۱۹۷۷ شیراکاوا و همکاران وی کشفیات خود را در مقاله سنتز پلیمر های ارگانیک رسانا چاپ‌ کردند. این کشف کمک زیادی به توسعه حوزه یاد شده کرد و پس از آن نیز این حوزه به صورت گسترده ای رشد پیدا کرده و باعث شد تا امکان تولید بسیاری از محصولات ویژه و جدید از این پلیمرها فراهم گردد. این ویژگی های فوق العاده منجر به انجام تحقیقات بیشتری بر روی خواص فیزیکی و الکتریکی پلیمرهای مزدوج شدند. مهمترین خاصیت ساختاری تمام پلیمر های مزدوج ساختار الکترونی مزدوج پی در آن ها می باشد. این خاصیت منجر به آن می‌شود که رسانایی در این مواد به صورت جهت دار صورت بگیرد که می‌تواند در جهت محور زنجیر ها باشد. اگرچه انتقال الکترونیکی بین زنجیره ها ضروری بوده و می تواند فاکتوری محدود کننده برای رسانایی ماکروسکوپیک باشد. تصور می‌شود که مولکولهای بزرگ مزدوج پی دارای انواعی از ساختارهای الکترونی باشد که از محل اصلی خود جابه‌جا شدند. مکانیزم رسانایی الکتریکی در این پلیمرها نیز به حرکت بخش‌های معیوب و باردار بستگی دارد که در چارچوب اصلی پلیمر ایجاد شده حرکت می کنند. حامل های بار باید از یک زنجیره به زنجیره دیگری بپرند. تفاوتی ندارد که این حامل‌ها از نوع مثبت و یا منفی باشند زیرا در هر صورت محصولی از اکسید کنندگی و یا کاهش بخش‌های ویژه‌ای از زنجیره پلیمری می باشند که در واقع به آنها بخش های پلیمری مزدوج می گویند. آگاهی از طبیعت شیمیایی بر هم کنش های بین پلیمرهای مزدوج و انواعی از دوپونت ها به منظور درک خواص حقیقی الکترونی اهمیت بسیاری دارد.

پلیمرهای مزدوج برای تولید چه محصولاتی به کار برده می شوند؟

انجام تحقیقات گوناگون در حوزه پلیمر های مزدوج همیشه با یک انگیزه قوی صورت گرفته است که دستیابی به انواع محصولات جدید می باشد. ایده اصلی در این موضوع خلاصه می‌شود که خواص ظاهری و الکترونیکی رساناها و نیمه رساناها را با خواص مکانیکی ویژه این مواد و همچنین مزیت های فراوری پلیمرهای ارگانیک ترکیب کنند. پلیمرهای مزدوج اولین بار زمانی توجه بسیاری را به خود جلب نمودند که خواص فلزی در پلی استیلن هایی مشاهده شد که از نظر شیمیایی ناخالص بودند. پلی استیلن و بسیاری از پلیمرهای دیگر که در مراحل اولیه مورد مطالعه قرار گرفتند همانند پلی پیرول و پلی انیلین این امکان را داشتند که در وضعیت خالص به عنوان عایق به کار برده شوند اما بنا بر دلایلی به کارگیری آنها به عنوان نیمه رساناها در وضعیت ناخالص مطلوبیت کمتری داشت. توسعه سایر پلیمرهای مزدوج با خواص نیمه رسانا حدود یک دهه دیگر طول کشید اگرچه گزارش‌های اولیه‌ ای از دیودهای پلی استیلنی منتشر شد. اولین گزارش ها از دستگاه هایی که دارای خواص کاربردی بودند از اواسط دهه ۸۰ منتشر شد. از آنجایی که پلیمرهای مزدوج این امکان را دارند که در حالت محلول فرآوری شوند حوزه ی موجود برای انجام تحقیقاتی به روی این موارد با توجه به خواص نیمه رسانای آنها با سرعت زیادی پیشرفت کرد. پلیمرهای مزدوج اخیراً توجه بسیاری را به خود جلب کرده اند که ناشی از به کارگیری آنها در ساخت دستگاه‌های الکترونیکی رخشان می باشد. این دستگاه ها از مزیت های متفاوتی برخوردارند مانند کاهش مدت زمان پاسخگویی، عملکرد بالا و تسهیل فرآوری دستگاه در مقایسه با نیمه رسانا های غیر ارگانیک. پلیمرهای مزدوج کاندیدای خوبی برای تولید محصولات متفاوتی از جمله ترانزیستورهای مؤثر بر میدان، سلولهای خورشیدی، دیودهای منتشر کننده ی نور و محل ذخیره داده، مواد الکتروکرومیک، پوشش‌های غیر ایستا، باتری ها، سنسورهای شیمیایی و سنسورهای زیستی می باشند.

پلیمر های مزدوج از چه خواصی برخوردارند؟

پلیمرهای مزدوج که در محور زنجیره‌ای خود جابجایی های مداوم دارند از خواص غیر معمولی برخوردارند. از آنجایی که این مواد پتانسیل زیادی برای تولید محصولاتی در حوزه فناوری دارند، همین موضوع باعث شده است تا خواص آن‌ها توجه بسیار زیادی را به خود جلب نماید. ویژگی هایی همانند رسانایی الکتریکی که مشابه رسانایی فلزات بوده و از بیشتر مواد غیر ارگانیک بالاتر می باشد، مواردی هستند که در تحقیقات به آنها پرداخته می شود. پلیمرهای رسانا یکی از دسته‌های پلیمرهای مزبور را تشکیل می‌دهند و نمونه اولیه از پلیمرهای رسانا پلی استیلن می‌باشد که قدرت رسانایی آن برابر با ۱۶ است. توانایی های بسیار بالای این پلیمر باعث شده است تا گرایش بسیاری برای تولید باتری های سبک، سلول های خورشیدی و نیمه رساناها به وجود آید. علاوه بر آن یکی دیگر از فاکتورهایی که می‌تواند فعالیت در حوزه تحقیقاتی پلیمرهای رسانا را افزایش دهد امکان تولید مکانیسم‌های رسانایی جدید میباشد.

نتیجه گیری

در صدمین سالگرد کشف پلیمرها توسط اشتاودینگر، بسیار حائز اهمیت است که به رابطه بین خواص و ساختار در مولکول های بزرگ و بخصوص پلیمرهای مزدوج توجه کنیم. سنتز موادی که از نظر ساختاری کاملا مطلوب و بدون عیب باشند با دشواری و چالش های بسیاری همراه است و عیوبی که در ساختار آنها به وجود می‌آید می‌تواند باعث نابودی خواص نوری فیزیکی و همچنین ایجاد تغییراتی در پایداری و خاصیت های انتقالی این مواد شود. اگرچه تاکنون شیمیدانها موفق شدند تا با تعدادی از چالش های سنتزی مقابله کنند تا بتوانند به انواعی از پلیمرهای مزدوج با ساختار تعریف شده ای دست پیدا کنند که خواص و قابلیت فراوری بهتری دارد. این موضوع خود باعث شده است تا به کارگیری پلیمرهای مزدوج در دستگاه‌های الکترونیکی ارگانیک افزایش پیدا کند که خود ناشی از سادگی و همچنین هزینه های پایین تولید دستگاه به همراه ویژگی های عملکردی بسیار بالای این مواد است که آنها را به گزینه های تجاری بسیار خوبی تبدیل کرده است. هم اکنون شیمیدانها می‌توانند به سنتز انواع بهتری از پلیمرهای مزدوج بپردازند و همچنین با فیزیکدانان و مهندسان همکاری کرده تا بتوانند از این مواد در دستگاه‌ها استفاده کرده و عملکرد آنها را بهبود بخشند. همچنین شیمیدانها باید در جستجوی انواع مواد پلیمری جدید باشند تا بتوانند خواص آنها مانند گاف انرژی، خواص انتقال بار، جابجایی و پایدارسازی بار در این مواد را تغییر دهند و در نهایت از آنها در تولید محصولات مدرن و کاربردی استفاده کنند. چگونه میتوان گاف انرژی پلیمرهای مزدوج را به صورت دقیق تنظیم کرد و یا خواص انتقال بار را چگونه می توان همچنان بهبود داد؟ تمامی این موارد فقط تعداد بسیار کمی از سوالاتی هستند که شیمیدانهای متخصص در سنتز باید مورد بررسی قرار دهند تا بتوانند در مسیر دستیابی به ساختارهای نوین پلیمری موفق شوند و در نهایت تغییراتی را در این مواد بوجود اورند. از زمان کشف مواد پلیمری، موفقیتهای بسیاری در حوزه سنتز و به کارگیری پلیمرهای مزدوج به وجود آمده و با ادامه این موفقیت ها حوزه ی موردنظر همچنان پیشرفت کرده و تکامل می یابد.