Badania naukowe

Polimery to przyszłość w różnego rodzaju technologiach. Można wymienić wiele zasadniczych różnic między przewodnikami wykonywanymi z metali 
a polimerowymi. Wszystkie przemawiają na korzyść tych drugich.

Mariusz Karwowski

Jeszcze do niedawna stwierdzenie, że plastik może być doskonałym przewodnikiem, przyjęte zostałoby, oględnie rzecz ujmując, z nutką powątpiewania. Dziś już nikt tego nie kwestionuje. Pytanie, które za to najczęściej się pojawia, dotyczy tego, jak szybko polimery przewodzące prąd elektryczny wyprą tradycyjne półprzewodniki. Choć nikt oficjalnie nie ujawnia na razie wyników prac nad podzespołami elektronicznymi zbudowanymi dzięki polimerom przewodzącym, to wiadomo, że eksperymenty takie już trwają. A kto pierwszy zrobi z nich użytek, zbije fortunę.

AUTOSTRADA ACETYLENOWA

Polimery, czyli związki wielocząsteczkowe, zawierające w swojej budowie powtarzające się elementy składowe, zwane merami, są podstawowym składnikiem tworzyw sztucznych, np. polietylen (folia), polichlorek winylu (okładziny, rury), teflon (uszczelki), polistyren (styropian). W każdej cząsteczce polimeru znajduje się duża liczba połączonych ze sobą merów. W miarę ich zwiększania, zmieniają się niektóre właściwości fizyczne polimeru, jak np. temperatura mięknienia i wytrzymałość mechaniczna. Tworzywa stosuje się dziś już niemal w każdej dziedzinie życia. Niektóre z nich są bardzo do siebie podobne. Ale to tylko złudzenie. W rzeczywistości różnią się w zasadniczy sposób. To, co je odróżnia, to poszczególne elementy składowe, w tym polimery. W zależności od rodzaju i ilości stosowanych dodatków, takich jak pigmenty, barwniki czy zmiękczacze, z tego samego polimeru można otrzymać różne tworzywa o odmiennych właściwościach.

Jedną z metod syntezy polimerów jest polimeryzacja. Polega ona na łączeniu ze sobą cząsteczek reaktywnego związku organicznego zawierających wiązanie podwójne. Tak powstały polimer ma budowę łańcuchową. Jeśli procesowi temu poddamy acetylen, gaz, którego struktura cząsteczki zawiera dwa atomy wodoru oraz dwa atomy węgla, między którymi występuje potrójne wiązanie, to jedno z tych trzech wiązań pęknie. Cząsteczki połączą się wówczas w długie łańcuchy, stanowiące ścieżkę poruszających się elektronów. Układ wiązań między atomami – na przemian podwójne i pojedyncze – umożliwia elektronom „przeskakiwanie” wzdłuż łańcucha. Ten rdzeń zyskał nawet nazwę „autostrady acetylenowej”. Gdy do powstałego tak poliacetylenu dodamy jeszcze jod, to przewodnictwo elektryczne tego polimeru wzrośnie aż o 18 rzędów wielkości.

To rewolucyjne odkrycie, w wyniku którego plastik może przewodzić prąd niemalże tak samo jak metaliczna miedź, jest dziełem trzech naukowców: Amerykanina Alana J. Heegera i jego rodaka Alana G. MacDiarmida oraz Japończyka Hideki Shirakawy. W ubiegłym roku otrzymali oni Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii, udowadniając tym samym całemu światu, że coś, co wydawało się niemożliwe, jest jak najbardziej prawdopodobne i użyteczne. Z pewnością przyczyni się to do rozwoju jednej z najnowocześniejszych obecnie dziedzin nauki – elektroniki molekularnej

PIONIERSKIE PRACE

– Polimery przewodzące już mają zastosowanie w produkcji różnego rodzaju podzespołów – mówi prof. Mieczysław Łapkowski, kierownik Zakładu Chemii Fizycznej Politechniki Śląskiej. – Jest to proces technologicznie opanowany i stosowany już na skalę przemysłową. Otrzymuje się tzw. blendy polimerowe, których jednym ze składników jest polimer przewodzący. Można również pokrywać inne polimery, np. folie lub włókna, warstewką polimeru przewodzącego. Między innymi obecne na naszym rynku błony filmowe AGFA są pokrywane warstewką antystatyczną polimeru przewodzącego produkowanego przez BASF. Jeżeli elementem aktywnym układu elektronicznego – diody, tranzystora – jest polimer przewodzący, to warstewkę tę otrzymuje się poprzez wylanie z roztworu.

Polimery przewodzące stosuje się dziś także w ekranach wyświetlaczy ciekłokrystalicznych oraz do powlekania dyskietek komputerowych. Odkryto już też polimery zbudowane z makrocząsteczek zdolnych, pod wpływem przyłożonego napięcia, do emitowania światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Znaczenie zastosowania tego okrycia jest niebagatelne.

Wytwarzanie polimerów nie jest procesem trudnym. Te typowe otrzymuje się dość łatwo, choć proces syntezy jest, jak na razie, dość drogi. W Politechnice Śląskiej opracowano i wdrożono własną technologię otrzymywania różnych typów polianiliny. Nowe polimery przewodzące wymagają na razie otrzymywania monomerów, co nie zawsze jest proste.

W Polsce badania nad polimerami przewodzącymi mają długą historię. Prace prowadzono już w latach 70., a ich zakres był bardzo różny, począwszy od syntezy chemicznej poliacetylenu, polipirolu czy polianiliny w Politechnice Warszawskiej, aż po syntezę elektrochemiczną w Politechnice Śląskiej. W tym ostatnim ośrodku skupiono się na badaniach polianiliny i jej roli jako aktywnego czynnika w procesie rozdziału mieszanin gazowych i ciekłych. Trwają też prace nad syntezą polimerów, które będą słabo absorbowały promieniowanie widzialne w stanie przewodzącym, a przez to będą doskonale nadawać się do zastosowań antystatycznych.

Badania właściwości fizykochemicznych prowadzono też w Uniwersytecie Warszawskim, Instytucie Chemii Fizycznej PAN, Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu czy Uniwersytecie Adama Mickiewicza w Poznaniu, gdzie pionierskie prace nad polianiliną rozpoczęto w 1976 roku. Zaobserwowano tam m.in., że polimer ten może być w pewnych warunkach nie tylko izolatorem, ale też doskonałym przewodnikiem.

– W latach 80. byliśmy czołowym państwem w Europie, gdzie zajmowano się badaniem tych tworzyw. Warto przypomnieć, że organizowano doroczne seminaria francusko-polskie czy polsko-rosyjskie poświęcone wyłącznie badaniom organicznych przewodników. W tym czasie były to wyłącznie badania podstawowe, gdyż nie znano dokładnie mechanizmu przewodzenia prądu przez te polimery – wyjaśnia prof. Łapkowski.

INŻYNIERIA ATOMOWA

Obecnie badania wkroczyły już w fazę aplikacyjną. Prace koncentrują się na organicznych wyświetlaczach elektroluminescencyjnych, tworzywach antystatycznych, fotodiodach o dużej powierzchni, laserach organicznych, sensorach (nos elektroniczny, biochipy) oraz foliach pochłaniających promieniowanie radarowe i podczerwone. Te ostatnie posiadają właściwości o znaczeniu stricte militarnym, np. w samolotach niewidzialnych przez radary czy w tkaninach maskujących żołnierzy przed noktowizorami. Wszystkie te badania zastosowań polimerów przewodzących są już w końcowej fazie realizacji. Na inny kierunek, który ma doprowadzić do układów przewodzących w skali nano, wskazuje prof. Stanisław Penczek z Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN w Łodzi. Jego zdaniem, tendencja ta związana jest z umieszczaniem atomów na wybranym podłożu i w ściśle określonych odległościach, co pozwala na pełną kontrolę zachodzących procesów. Tym zajmuje się już nanotechnologia, a więc inżynieria na poziomie atomów. To są właśnie główne drogi, którymi podążają naukowcy pracujący nad polimerami przewodzącymi.

W polskich badaniach zasadnicze znaczenie mają wyniki prac ubiegłorocznych noblistów.
– Mamy ścisłe związki przede wszystkim z Amerykanami. Trzeba powiedzieć, że jednym z doktorantów prof. MacDiarmida był nasz znakomity uczony prof. Adam Proń, który napisał jedną z pierwszych na świecie prac doktorskich o polimerach przewodzących prąd elektryczny. W tej chwili nie pracuje on już w Polsce, wyemigrował bowiem do Francji. Ja również przed siedmioma laty byłem gościem prof. Heegera w Instytucie Polimerów i Organicznych Ciał Stałych Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i muszę powiedzieć, że wizyta ta utkwiła mi do dziś w pamięci. To, co zobaczyłem w tamtejszych laboratoriach, to już całkiem nieodległa przyszłość – prognozuje prof. Łapkowski.

Wszystko wskazuje właśnie na to, że niebawem przemysł elektroniczny sięgnie po przewodniki polimerowe, zastępując nimi te wykonywane z metali. Dlaczego? Polimery przewodzące są bowiem znacznie lżejsze i o wiele tańsze w produkcji. A przy dzisiejszej konkurencji liczą się przede wszystkim koszty wytwarzania. Jak sądzi Stanisław Penczek, w laboratoriach przemysłowych i w pracach zlecanych ośrodkom naukowym trwają próby udoskonalania istniejących procesów technologicznych, wytwarzania polimerów oraz dostosowania ich właściwości do zmieniających się potrzeb odbiorców. Ponadto, prowadzone będą prace nad otrzymywaniem makrocząsteczek, różniących się budową, z tych samych cząsteczek monomeru. Jest to przecież najtańszy sposób uzyskiwania nowych, ulepszonych produktów.

PLASTIKOWY TELEWIZOR

Jak już wspomnieliśmy, badania nad polimerami przewodzącymi są silnie powiązane z pracami nad elektroniką molekularną, która może doprowadzić do otrzymania układów elektronicznych działających szybciej niż obecne i zużywających znacznie mniej energii. Choćby przenośne laptopy, które dziś mają wielkość aktówki, będą się bez problemu mieścić w naszych... zegarkach. Cóż, wydaje się, że rozpoczęty proces miniaturyzacji jest nieodwracalny. Wszystkich zmian, jakie zajdą po wprowadzeniu polimerów przewodzących do produkcji podzespołów, nie jesteśmy w stanie przewidzieć. Na razie perspektywy zastosowań sięgają płaskich, tanich telewizorów... plastikowych (!), świecących folii itp. A jakie inne korzyści płyną z wprowadzenia polimerów przewodzących do produkcji przemysłowej?

W toku badań okazało się, iż dobierając odpowiednio grupy atomów, można zmieniać właściwości otrzymanego polimeru. O tym, że można, praktycznie bez żadnych ograniczeń, otrzymać polimer o pożądanym przewodnictwie elektrycznym i, co więcej, przewodnictwo to może być zmieniane o kilkanaście rzędów wielkości, już wiemy. Ale będzie też można wyprodukować polimery, które będą reagować na światło czy na określone kolory. Kontrolowane to będzie poprzez odpowiedni dobór monomeru. Istnieje także możliwość wytwarzania polimerów wrażliwych na określone substancje. Polimery przewodzące można przetwarzać metodami stosowanymi w przetwórstwie klasycznych polimerów. I wreszcie – najważniejsza chyba właściwość. Polimery przewodzące są łatwe do utylizacji lub neutralizacji, a przez to przyjazne środowisku. Ale kij ma dwa końce. W większości polimery przewodzące są nietrwałe – utleniają się lub rozpadają. Jest to problem, ale jak przyznaje prof. Łapkowski, cały czas postępują prace nad otrzymywaniem tworzyw o dużej trwałości.

– Cóż, polimery to przyszłość. Producenci podzespołów na pewno będą korzystać z wyników polskich badań, często sobie tego nawet nie uświadamiając, gdyż nasz wkład w badania światowe jest znaczący. Życzyłbym sobie, żeby polscy producenci korzystali również z naszej wiedzy. Zresztą, obserwuję od pewnego czasu zainteresowanie tym tematem. Choć, znając stan naszej gospodarki, nie byłbym specjalnym optymistą – mówi prof. Mieczysław Łapkowski.

I nie ma się co dziwić takim wizjom. Badania przemysłowe, które i tak w porównaniu z krajami znacznie bardziej od Polski rozwiniętymi ekonomicznie, stanowiły u nas niewielki odsetek, teraz praktycznie już zanikają. Zajmujący się tą tematyką wskazują jako główny powód takiego stanu rzeczy reprywatyzację przemysłu. Badania zatem niejako z konieczności przenoszone są za granicę.

Pocieszające jest to, że niepoślednią w nich rolę odgrywają nadal polscy naukowcy. Jednym ze spektakularnych odkryć ostatnich tygodni, dokonanym przez badaczy z USA, jest wykrycie nadprzewodnictwa w jednym z polimerów przewodzących – regioregularnym polioktylotiofenie. Prof. Mieczysław Łapkowski z dumą przyznaje, że jednym ze współodkrywców jest jego kolega ze studiów – Krystian Kloc.

Komentarze