ساخت کریستال پلیمری که مانند فلز برق را هدایت می‌کند

پلیمرهای رسانا مانند پلی‌آنیلین (Polyaniline)، پلی‌تیوفن (Polythiophene) و پلی‌پیرول (Polypyrrole) به دلیل هدایت الکتریکی عالی خود، به‌عنوان جایگزین‌های ارزان، سبک و انعطاف‌پذیر برای نیمه‌هادی‌ها و فلزات سنتی مطرح شده‌اند. اهمیت این مواد زمانی برجسته شد که جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۰۰ به آلن جی. هیگر (Alan J. Heeger)، آلن جی. مک‌دیارمید (Alan G. MacDiarmid) و هیدکی شیرکاوا (Hideki Shirakawa) به دلیل کشف و توسعه پلیمرهای رسانا اعطا شد.

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، هدایت الکتریکی در این پلیمرها معمولاً در امتداد زنجیره‌های پلیمری رخ می‌دهد، در حالی که هدایت بین لایه‌ها به دلیل ضعف اتصالات مولکولی و تعاملات الکترونیکی محدود باقی می‌ماند. برای حل این چالش، پژوهشگران دانشگاه صنعتی درسدن و مؤسسه ماکس پلانک در فیزیک ریزساختار هاله (Max Planck Institute of Microstructure Physics Halle) با همکاری شرکای بین‌المللی خود موفق به سنتز و شناسایی کریستال چندلایه‌ای از پلی‌آنیلین دوبعدی (2DPANI) شده‌اند.

توماس هاینه، استاد شیمی نظری در دانشگاه صنعتی درسدن، درباره اهمیت این پژوهش توضیح می‌دهد: این ماده نه‌تنها در درون لایه‌های خود هدایت بالایی دارد، بلکه به‌طور عمودی بین لایه‌ها نیز به‌خوبی رسانایی را حفظ می‌کند. این ویژگی را انتقال بار فلزی خارج از صفحه یا رسانایی سه‌بعدی می‌نامیم که یک پیشرفت اساسی در پژوهش‌های پلیمری محسوب می‌شود.

او و تیمش در دانشگاه درسدن و مرکز درک پیشرفته سیستم‌ها (CASUS) در گورلیتز، ابتدا ساختار این پلیمر را شبیه‌سازی کرده و ویژگی‌های فلزی آن را محاسبه کردند. سپس شین‌لیانگ فنگ و تیم او در مرکز الکترونیک پیشرفته درسدن (cfaed) به همراه محققان مؤسسه ماکس پلانک، این پلیمر را سنتز کرده و آزمایش‌های هدایت الکتریکی مستقیم را روی آن انجام دادند.

مطالعات انجام‌شده نشان داد که این پلیمر جدید دارای رسانایی ناهمسانگرد است؛ میزان رسانایی الکتریکی آن ۱۶ زیمنس بر سانتی‌متر درون لایه‌ای و ۷ زیمنس بر سانتی‌متر خارج از لایه‌ای است که تقریباً سه مرتبه قدرتمندتر از پلیمرهای رسانای خطی معمولی محسوب می‌شود.

آزمایش‌های دماپایین نیز نشان دادند که رسانایی الکتریکی خارج از لایه‌ها با کاهش دما افزایش می‌یابد؛ ویژگی‌ای که معمولاً در فلزات دیده می‌شود و تأییدی بر خواص استثنایی این ماده در انتقال بار الکتریکی است.

علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در مرکز تحقیقات نانو GUNE در سن سباستین، اسپانیا (CIC nanoGUNE) با استفاده از میکروسکوپ‌های مادون قرمز و تراهرتز میدان نزدیک، رسانایی جریان مستقیم (DC) در حدود ۲۰۰ زیمنس بر سانتی‌متر را نشان دادند.

به نقل از ستاد نانو، این کشف، امکان دستیابی به رسانایی فلزی سه‌بعدی را در مواد آلی و پلیمری بدون فلز فراهم می‌کند. چنین پیشرفتی می‌تواند تحولی شگرف در الکترونیک، محافظت الکترومغناطیسی و فناوری حسگرها ایجاد کند. به‌عنوان مثال، این پلیمر رسانا می‌تواند به‌عنوان یک الکترود فعال در الکتروشیمی و فوتوالکتروشیمی مورد استفاده قرار گیرد و به تولید هیدروژن از طریق فرایندهای الکتروشیمیایی کمک کند.

نتایج این پژوهش که در نشریه معتبر Nature منتشر شده است، نشان می‌دهد که دنیای پلیمرهای رسانا در مسیر جدیدی از توسعه و کاربردهای صنعتی گام برداشته و می‌تواند جایگزینی قابل اطمینان و کارآمد برای فلزات در فناوری‌های پیشرفته آینده باشد.