اكتشاف الأسرار الغامضة لناقلية البوليميرات

تعد المواد المعروفة بالبوليميرات المترافقة Conjugated Polymers على أنها مواد واعدة في المستقبل في تطبيقات الالكترونيات. من  هذه التطبيقات: المكثفات، الديودات الضوئية، الحساسات، الديودات العضوية المشعة للضوء، والأجهزة الكهراحراية. لكن تواجه هذه المواد عقبة كبيرة: لم يستطع أحد حتى الآن تفسير آلية النقل الكهربائي لهذه المواد، أو التنبؤ بكيفية سلوكها عند وضعها ضمن هذه الأجهزة.

قام حديثاً فريق بحثي من معهد ماساشوستس التقاني MIT والمخبر الوطني في بروكهافن Brookhaven National Laboratory بتفسير كيف يمكن لحوامل الشحنات الكهربائية أن تتحرك ضمن هذه المواد، مما يسهل دخول هذه المواد ضمن التطبيقات مستقبلاً.

تقع البوليميرات المترافقة في المنتصف ما بين المواد البلورية والمواد عديمة الشكل، وسبب ذلك صعوبة في تفسير آلية عملها، يقول أسلي أوغور Asli Ugur، وهو باحث ما بعد الدكتوراه.

تملك المواد البلورية بنية منتظمة وتوزع عال للذرات والجزيئات. بينما تملك المواد عديمة الشكل بنى عشوائية، أو على أقل تقدير بنى منتظمة ضمن نطاقات محدودة. تملك البوليميرات المترافقة بنية وسطية بينهما وبالتالي تكتسب خواصاً وسطية فيما بينهما: مناطق منتظمة، متوضعة ضمن مناطق عديمة الشكل.

يقول أوغور: “تم سابقاً وضع العديد من النماذج التي حاولت تفسير كيف تتصرف هذه المواد، لكن لم يتم إيجاد دليل مباشر، كيف تطابق هذه النماذج الواقع العملي. لقد قمنا بإظهار تأثير أبعاد البلورة، أي أبعاد المناطق المنتظمة ضمن المادة، والذي له تأثير هام”.

يعود ذلك إلى أنه عندما تصل حوامل الشحنة إلى حواف تلك المناطق، سوف “تقفز hop” إلى المناطق الأخرى.

ضمن المواد الحجمية Bulk Materials، يمكن لحوامل الشحنة أن تسير وفق أي اتجاه. لكن بالنسبة للبوليميرات، والتي يمكنها أن تكون رقيقة جداً، هناك عدد ضئيل من المجاورات البلورية التي يمكن للأيون أن يقفز إليها. مع القليل من الخيارات، تصبح الناقلية ذات فعالية أكبر، حيث يقول أوغور: “كلما زادت رقة البوليميرات، تصبح شروط الناقلية أفضل، على الرغم من أن المادة بحد ذاتها لم تتغير”.

ركزت المحاولات السابقة لنمذجة السلوك الكهربائي، اعتماداً على الخواص الكيميائية. لكن  يشدد الباحثين على أنه لم يتم التركيز على البنى البلورية، حيث بقي فهم الخواص الكهربائية للمواد البوليميرية غير واضح تماماً على الرغم من مرور عقود من دراسة هذه المواد.

يقول كريبا فاراناسي Kripa Varanasi المشارك في البحث: “نريد تطوير مواد بحيث يمكننا التحكم بحرية بخواصها الحرارية والكهربائية. لقد ألهمنا بتطوير سطوح بينية عضوية-لاعضوية من شأنها أن تقدم لنا ميزات جديدة غير موجودة ضمن المواد الحجمية التقليدية”.

قام الباحثون بتحليل البوليمير المترافق PEDOT، والذي يملك خواصاً كهربائية واستقرارية عالية. كان السؤال الأهم بالنسبة للباحثين: “ما هو الحد الأعلى لناقلية هذا البوليمير؟”

تفيد معرفة الجواب في تقييم مدى فائدة هذا البوليمير ضمن التطبيقات العديدة. عندما تم تطوير هذه المادة، كانت ناقليتها تبلغ ما بين 1-10 S/cm، وقد تم الوصول لاحقاً إلى 100 S/cm. يقول الفريق البحثي أنه وصل إلى ناقلية أعلى من 3000 S/cm، عن طريق تشكيل فيلم مكون من طبقات رقيقة والتي تضاعف من آلية القفز، حيث يتم الحصول على مادة بناقلية عالية جداً، وبنفس الوقت يكون الفيلم شفاف.

تملك العديد من أنصاف النواقل المستخدمة في الالكترونيات قيم للناقلية عالية جداً، فمن أجل فيلم من المادة إنديوم-أوكسيد القصدير ITO تبلغ ناقليته 8000 S/cm. لكن مشكلة هذه المواد أنها قاسية وهشة، بينما البوليميرات المترافقة مرنة، مما يساهم في مساهمتها في التطبيقات التي تستدعي مواد مرنة قابلة للانحناء والانطواء.

يتميز PEDOT بأنه شفاف للضوء، ذو ناقلية كهربائية، ويملك مرونة ميكانيكية. ويشدد العلماء أنه بالامكان استبدال ITO بـ PEDOT، يمكن للبوليميرات المترافقة أن تدخل تطبيقات الخلايا الشمسية، شاشات الإظهار، وشاشات الإظهار اللمسية، وعلى الرغم من أن البحث أساسه هو PEDOT، لكن يسعى العلماء أن يدرسوا بقية البوليميرات المترافقة.

###

ملاحظات:

حوامل الشحنة Charge Carriers: هي الجسيمات المسؤولة عن النقل الالكتروني، بالعموم هي الالكترونات السالبة والثقوب الموجبة ضمن الطور الصلب. في الطور السائل فإن الشوارد هي المسؤولة حوامل الشحنة.

بوليمير PEDOT اسمه (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene من أهم البوليميرات الناقلة والتي يتم دراستها كي تدخل التطبيقات الالكترونية.

المواد الحجمية والمواد النانومترية Bulk and Nanomaterials: المواد الحجمية هي المواد التي يكون أصغر بعد لها من مرتبة الميكرون (حدود البلورات عادةً)، ولا تتغير خواصها عامةً بتغير أبعادها. المواد النانومترية هي مواد أبعادها تقع مابين 10-500 نانومتر، وتتغير خواصها بشكل كبير ضمن هذا المجال، وتعد بنى البوليميرات الناقلة من هذا النوع من المواد.