Rozmowa Forum

Elektronika polimerowa będzie uzupełniała tradycyjną elektronikę tam, 
gdzie nie da się zastosować krzemu, np. w dużych powierzchniach. 
Inna perspektywa to elektronika jednorazowa, na co pozwolą niskie ceny 
polimerów przewodzących, łatwość ich przetwarzania i łatwy recykling.

Rozmowa z prof. Adamem Proniem, chemikiem,
laureatem Nagrody FNP za rok 2002 w dziedzinie nauk technicznych 
 

 Jeżeli elektronika polimerowa nie stanowi realnej konkurencji, a tym bardziej zagrożenia dla elektroniki krzemowej, dlaczego warto ją rozwijać? Dlaczego osiągnięcia w tej dziedzinie są nagradzane?
– Nagradzane są między innymi dlatego, że polimery przewodzące stanowią nową jakość materii. Jeszcze dwadzieścia kilka lat temu ludzie nie spodziewali się, że polimery będą mogły konkurować z metalami czy półprzewodnikami w niektórych zastosowaniach elektrotechnicznych czy elektronicznych. Gdy odkryto zjawisko elektryczności i jego stosowanie stało się powszechne, metale były tak znakomitymi przewodnikami, że nikomu nie przyszło do głowy szukać czegoś zastępczego. Podobnie było z technologią elektronową na początku lat pięćdziesiątych: najpierw german, a potem krzem tak świetnie spełniały warunki, które przed nimi stawialiśmy, że nikt nie myślał, by je czymkolwiek zastępować.

– A jednak Pan próbuje zastąpić je polimerami. Po co?
– Metale i krzem mają szereg wad. Pierwszą z nich jest ogromny ciężar. Tymczasem polimery miewają gęstość mniejszą niż woda, nie podlegają korozji, a jeśli dodać do nich odpowiednie stabilizatory czy antyutleniacze, to nie zmieniają swoich własności przez wiele lat. Polimery wytwarzane są metodami nieenergochłonnymi. Przetwarzamy je w temperaturach tylko nieznacznie wyższych niż pokojowe. Można je rozpuścić bez zmiany ich stanu chemicznego, czego nie można zrobić z metalami i krzemem. A skoro polimery się rozpuszczają, to polimerowy półprzewodnik łatwo można nanieść na ogromną płaszczyznę, podczas gdy w przypadku krzemu jesteśmy limitowani wielkością monokryształu. Polimery mają też znakomite własności mechaniczne. Krzem jest kruchy. Jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że z urządzeniami elektronicznymi należy się obchodzić bardzo delikatnie. Tego problemu nie ma w przypadku elektroniki polimerowej.

– Mimo tych zalet, polimery nie wyparły tradycyjnych metalowych przewodników i krzemowych półprzewodników.
– Nie wyparły i nie wyprą. Ich parametry elektryczne są, mimo wszystko, gorsze niż metali, choć poliacetylen, pierwszy odkryty polimer przewodzący – w przeliczeniu na jednostkę masy, a nie objętości – przewodzi lepiej niż miedź. Metale mogą z czasem być zastąpione przez polimery, ale półprzewodniki krzemowe raczej nie.

– Czy chce Pan powiedzieć, że możemy mieć w ścianie kabel, w którym zarówno wewnętrzna część przewodząca, jak i izolacja będą zrobione z polimerów?
– Polimery nie mieszają się łatwo, więc uzyskanie takiego całkowicie polimerowego przewodzącego kabla z izolacją nie jest trudne. Problem polega raczej na tym, że w przypadku polimerów przewodzących maksymalne gęstości prądu są znacznie niższe niż w przypadku dobrze przewodzących metali. Polimery będą zastępować metale tylko w tych przypadkach, gdy gęstości prądu są niewielkie, a potrzebujemy lekkiego przewodnika, o takich własnościach mechanicznych, których metale zapewnić nie mogą.

– W jednym ze swych artykułów nazwał Pan polimery przewodzące „metalami w butelce”. Czy porównanie polimeru i metalu jest adekwatne?
– Nazwałem je metalami, gdyż wykazują przewodnictwo elektryczne porównywalne z przewodnictwem metali i, co więcej, ich temperaturowa charakterystyka przewodnictwa jest taka, jak w przypadku metali, czyli ze spadkiem temperatury ich przewodnictwo rośnie. Terminu „w butelce” użyłem, aby podkreślić, że można je rozpuścić bez zmiany postaci chemicznej. Natomiast jeśli chodzi o własności mechaniczne, to przypominają one raczej tworzywa sztuczne niż metale i, co więcej, mogą być przetwarzane takimi samymi metodami, jakie stosuje się w przetwórstwie tworzyw sztucznych.

– Dlaczego nie zastąpimy krzemu polimerami?
– Na początku krótkie wyjaśnienie. Domieszkowane polimery przewodzące zachowują się jak metale, a niedomieszkowane jak półprzewodniki. Ruchliwość nośników ładunków – to bardzo ważny parametr – jest w przypadku półprzewodnikowych (niedomieszkowanych) polimerów znacznie niższa niż w monokrystalicznych układach krzemowych. Jest porównywalna z krzemem amorficznym. Można otrzymać monokryształy polimerów, jest to jednak bardzo skomplikowane, bo równomierne ułożenie bardzo dużych cząsteczek polimerowych jest znacznie trudniejsze niż periodyczne ułożenie atomów metalu czy krzemu. A więc ta mniejsza ruchliwość nośników ładunku związana jest z większym stopniem nieuporządkowania polimerów w stosunku do monokrystalicznych układów półprzewodników nieorganicznych.

– Skoro nie zastąpimy elektroniki krzemowej polimerową, to po co rozwijać badania nad polimerami o własnościach półprzewodników?
– Ona nie zastępuje elektroniki krzemowej, ale stanowi jej boczną gałąź, uzupełnienie, które przydaje się w określonych sytuacjach. Technologia elektronowa wymaga niesłychanej czystości, sterylności. Tymczasem w technologii polimerów wymagania w tym względzie są właściwie żadne. Układy elektroniczne z polimerów można drukować na zwykłej drukarce, bardzo podobnej do drukarki atramentowej, wprost z roztworu. Elektronika polimerowa będzie uzupełniała tradycyjną elektronikę tam, gdzie nie da się zastosować krzemu, np. w dużych powierzchniach. Inna perspektywa to elektronika jednorazowa, na co pozwolą niskie ceny polimerów przewodzących, łatwość ich przetwarzania i łatwy recykling.

– Czy elektronika polimerowa już istnieje w praktyce gospodarczej, a jeżeli nie, to w jakiej perspektywie czasowej możemy się jej spodziewać?
– Polimery przewodzące jako przedmiot badań naukowych pojawiły się dwadzieścia pięć lat temu, a elektronika polimerowa dwanaście lat temu i już teraz Uniax Corporation (obecnie DuPont Displays), firma założona przez Allana Heegera, jednego z moich amerykańskich mistrzów, produkuje świetne diody luminescencyjne z polimerów. Istnieje fabryka wyświetlaczy polimerowych, które zastosowano m.in. do telefonów komórkowych. Chemia tych związków jest stosunkowo prosta. Pozwala na otrzymanie diody luminescencyjnej o dowolnym kolorze poprzez modyfikację tego samego związku. To jest przyszłość.

– Jak się ma elektronika polimerowa do elektroniki molekularnej?
– To taki pomost między tradycyjną elektroniką a elektroniką molekularną, czyli elektroniką w skali nanometrycznej. Wiele grup uczonych na świecie stara się budować jednocząsteczkowe tranzystory. Skala miniaturyzacji jest niesłychana. Od tego nie ma odwrotu. Można np. wytworzyć cząsteczkę o postaci krótkiego łańcucha, tzw. oligomer, który składa się z segmentów o przewodnictwie p-n-p. Z jednej cząsteczki możemy też zrobić diodę. To będą niesłychanie małe urządzenia, wielkości kilku bądź kilkudziesięciu atomów.

– Jak w praktyce można sobie wyobrazić tak małą diodę czy tranzystor?
– Bardzo łatwo. Otrzymanie molekularnego złącza w pojedynczej cząsteczce lub makrocząsteczce stanowi dopiero pierwszy etap. W następnym trzeba te molekularne złącza „ułożyć” w określone, uporządkowane struktury. Zastosować tu trzeba procedury znane z chemii supramolekularnej, czyli wyposażyć każdą makrocząsteczkę w grupy funkcyjne zdolne do selektywnego „rozpoznawania” odpowiednich grup funkcyjnych innych makrocząsteczek, co z kolei powinno prowadzić do ich uporządkowanej agregacji. Współczesne techniki mikroskopowe, np. skaningowa mikroskopia tunelowa (STM), pozwalają na kontrolę takich agregacji. Pozostaje problem kontaktów elektrycznych pomiędzy takimi „molekularnymi elementami elektronicznymi”, a nie jest to problem trywialny, biorąc pod uwagę ich subnanoskopowe wymiary. 

– Kiedy zaczniemy używać urządzeń nanomolekularnych?
– Można stworzyć pewną analogię. Pierwszą polimerową diodę luminescencyjną wytworzono dziesięć lat temu, a jej trwałość była rzędu kilku minut. Allan Heeger bał się, że dioda, którą zamierzał zaprezentować przedstawicielom agencji rządowej, przestanie świecić podczas pokazu. Od tego czasu osiągnięto taki postęp, że diody polimerowe świecą 40 tys. godzin. W ciągu dziesięciu lat przeszliśmy od eksperymentu do produkcji. W dziedzinie elektroniki molekularnej jesteśmy na etapie eksperymentów. Jak już wspomniałem, stosując metody chemii supramolekularnej można otrzymać całkiem skomplikowane układy elektroniczne. Pozostaje nadal problem nanokontaktów między nimi. Wierzę, że uda się ten problem rozwiązać i że ja, chociaż mam już pięćdziesiąt jeden lat, będę jeszcze używać przyrządów nanoelektronicznych.

– Jak wyglądają Pana dokonania na tle rozwoju badań nad polimerami przewodzącymi? Najpierw zajmował się Pan polimerami przewodzącymi, potem pojawił się problem ich trwałości i przetwarzalności. Kolejny problem to polimery czyste i domieszkowane, czyli te, które mają własności półprzewodników i te, które mają własności metali i są przewodnikami.
– Zacząłem się zajmować polimerami – a dokładnie poliacetylenem, bo to był pierwszy znany polimer przewodzący – w 1977 r....

– W jednym z wywiadów wspomniał Pan, że zmienił potem zainteresowania, gdyż środowisko naukowe miało już dosyć poliacetylenu.
– Nie jest łatwo w politechnice zajmować się czymś, co nie ma przyszłości technologicznej, a acetylen był nierozpuszczalny, nietopliwy i degradował się na powietrzu. W 1984 r., będąc jeszcze stosunkowo młodym naukowcem, byłem nieco sfrustrowany tym, że nie zrobiłem niczego pożytecznego, co by znalazło praktyczne zastosowanie. Wtedy właśnie, krytykowany często, że robię rzeczy drogie, które niczemu nie służą, postanowiłem zmienić profil badań.

– Postanowił Pan stworzyć polimer trwały i łatwy w obróbce?
– Najpierw postanowiliśmy – mówię w liczbie mnogiej, bo chodzi o cały zespół naukowy – otrzymać polimer przewodzący i przetwarzalny. Przetwarzalny polimer o bardzo regularnej strukturze, czyli tzw. regioregularny poli(alkilotiofen), otrzymała po raz pierwszy dr hab. Małgorzata Zagórska. To było duże osiągnięcie. Jedna z modyfikacji tego polimeru, otrzymana przez prof. Richarda McCullogha z Uniwersytetu Carnegie Mellona, jest obecnie stosowana do wytwarzania polimerowych tranzystorów polowych, które są elementami obwodów scalonych. Poli(alkilotiofen) jest przetwarzalny, ale tylko w formie półprzewodnikowej, niedomieszkowanej. Chcieliśmy otrzymać coś, co jest przetwarzalne w formie domieszkowanej, inaczej mówiąc – taki rozpuszczalny metal.

– I właśnie za domieszkowany polimer przyznała Panu nagrodę Fundacja na rzecz Nauki Polskiej.
– Szkoda, że to jest nagroda indywidualna, bo na sukces pracował cały zespół. Oprócz mnie i dr hab. Zagórskiej muszę wymienić przynajmniej dr hab. Irenę Kulszewicz.

– Proszę opowiedzieć o tym odkryciu. dlaczego ono jest takie ważne?
– Tym polimerem jest polianilina domieszkowana niektórymi estrami kwasu sulfobursztynowego. Polianilina jest de facto najstarszym polimerem przewodzącym i w swojej pierwotnej postaci została otrzymana już w XIX w. Polianilina, zarówno niedomieszkowana, jak i domieszkowana klasycznymi domieszkami nieorganicznymi, wykazuje fatalne własności mechaniczne i bardzo źle się przetwarza. W ciągu ostatnich 10 lat zastosowano szereg nowych domieszek polianiliny, które polepszały co prawda jej przetwarzalność, ale nie poprawiały jej własności mechanicznych. Stosując proste koncepcje chemii polimerów wymyśliliśmy takie domieszki, które spełniają podwójną rolę: domieszkują polimer, czyli powodują, że zaczyna on świetnie przewodzić, a równocześnie sprawiają, że zaczyna się on znakomicie rozpuszczać i plastyfikuje się. Możemy go więc przetwarzać tak, jak się przetwarza polichlorek winylu. Ale największą zaletą tego tworzywa jest to, że łączy ono świetne własności mechaniczne tworzyw sztucznych z wysokim przewodnictwem elektrycznym. Można go rozciągać nawet trzykrotnie i nic się z nim nie stanie. Niektóre domieszki powodują nawet, że ma własności elastomerów, czyli gum. Jest też najtrwalszym z wszystkich polimerów przewodzących. Dotychczas najbardziej trwałym polimerem przewodzącym był polietylenodioksytiofen, chroniony patentem przez firmę Bayer. Nasz jest znacznie trwalszy, przy lepszym przewodnictwie.

– Czy został opatentowany przez Politechnikę Warszawską?
– Niestety, uzyskanie patentu w Europie i najważniejszych poza Europą krajach przemysłowych jest bardzo drogie i przekracza możliwości finansowe naszego politechnicznego laboratorium. Wynalazek ten został więc opatentowany przez mojego francuskiego pracodawcę. Procedura patentowa obejmująca praktycznie cały świat kosztuje wiele tysięcy dolarów.

– Czy i gdzie polimer ten znalazł zastosowanie?
– Szereg japońskich firm elektronicznych używa polimerów przewodzących, a jedna z nich używa naszego. Używa go również jedna z firm francuskich produkująca tworzywa sztuczne.

– Recenzentem Pana pracy habilitacyjnej był późniejszy noblista, Japończyk Hideki Shirakawa. Jak to się stało?
– Shirakawa był jednym z czołowych chemików zajmujących się polimerami przewodzącymi i często cytował prace naszej grupy. Rada Wydziału Politechniki Warszawskiej powołała go na recenzenta, ponieważ nigdy nie opublikowałem z nim żadnego artykułu. Tego wymogu przestrzega się w porządnych uczelniach. W przeciwnym przypadku powołany opiniodawca jest, w jakimś stopniu, recenzentem własnych prac. Niestety, zarówno w Polsce, jak i we Francji ten warunkujący obiektywizm zwyczaj jest często zaniedbywany.

– Pracuje Pan od lat w zagranicznych ośrodkach badawczych i przedsiębiorstwach, równocześnie prowadząc badania w Polsce. Jak wypada porównanie pracy tu i tam?
– Komfort pracy w Komisariacie ds. Energii Atomowej jest nieporównanie większy niż tutaj, bo to jest bogata instytucja, uprzywilejowana nawet jak na stosunki francuskie. Na świecie pracuje się dłużej niż w Polsce. U nas ludzie, w najlepszym przypadku, przychodzą do pracy o godz. 800 i wychodzą o 1500, a naukowcy pracujący do późnego wieczora uchodzą za ekscentryków. We Francji naukowcy rzadko co prawda pracują w soboty i niedziele, ale nawet najbardziej leniwi pracują od 900 do 1900. W Ameryce doktorant u ambitnego profesora pracuje 7 dni w tygodniu. Jednak, aby doktoranci pracowali 7 dni w tygodniu, to i profesor musi pracować 7 dni w tygodniu, zazwyczaj dłużej niż jego podwładni. Naczelną zasadą prawidłowo funkcjonującej grupy jest to, by szef był najbardziej pracowity. Szef powinien witać pracowników w firmie i żegnać ich, gdy wychodzą z pracy. W Uniaxie, gdzie pracowaliśmy ze wspomnianymi koleżankami, prof. Allan Heeger przyjechał pewnego dnia o godz. 2000 z Japonii i nie zastał nikogo w laboratorium. Następnego dnia zwołał zebranie i z wyrzutem powiedział: jak możemy marzyć o tym, aby mieć jakieś sukcesy naukowe, skoro o godz. 2000 nikogo nie ma w laboratorium? Okazało się, że gdy tego samego dnia pojechał do swojej pracowni w uniwersytecie, tam wszyscy pracowali. Taką ciężką pracę może znieść tylko człowiek wdrożony do niej od najmłodszych lat.

– Czy godziny pracy spędzone w laboratorium są miarą, a może źródłem sukcesów naukowych?
– Tak. Inteligencja rozkłada się statystycznie na wszystkie narody. Te pracowitsze mają więcej osiągnięć.

– Jak by Pan porównał pracę w uczelni i w laboratorium przemysłowym?
– W firmach trzeba mieć wyniki natychmiast. Przemysłowe laboratoria przyciągają ludzi, którzy chcą koniecznie zrobić zarówno karierę naukową, jak i finansową. panuje tam ostra konkurencja i zazdrość. Firma ma bardzo twarde zasady funkcjonowania. Jeżeli ktoś kończy 45 lat, na ogół odsuwa się go od pracy badawczej, gdyż uważa się, że jest już zbyt mało kreatywny, i daje się mu wysokie stanowisko administracyjne. Wiele osób bardzo źle znosi tę zmianę. Wtedy przechodzą na uczelnie. Mam wielu kolegów, których to dotyczy. W uczelni jest trochę przyjemniej, a na dodatek można być badaczem do późnego wieku.

– Co najbardziej satysfakcjonuje w pracy naukowej?
– Motywacje podejmowania pracy naukowej są różne, a więc i powody satysfakcji mogą być różne. Dla młodych naukowców najbardziej ekscytujące jest odkrywanie nowych obszarów wiedzy i technik badawczych. Doktoranci i magistranci bardzo się cieszą pierwszymi artykułami, gdy zobaczą swoje nazwisko w znakomitym zagranicznym czasopiśmie, np. „Journal of American Chemical Society”. Dla takiego „zgreda” jak ja 180. artykuł jest już mniej ekscytujący. Największą satysfakcją jest kształcenie młodych. Człowiek, który przychodzi do laboratorium w wieku 23 lat, jest na ogół słabo wykształcony. Gdy po 10 latach pracy w grupie staje się sprawniejszy intelektualnie ode mnie, to jest właśnie największa satysfakcja.

– Czy oprócz satysfakcji psychicznej ma Pan satysfakcję finansową za swoje odkrycia, opatentowane wynalazki?
– Dostaję za patent jednorazową premię i czasami jeszcze jakieś niewielkie pieniądze. Patentowanie przekłada się na szybszy awans zawodowy, czyli wyższą pensję. Właścicielem moich patentów jest firma, która dała mi niezwykle kosztowną aparaturę, płaci bardzo dobrą pensję i wyłożyła dziesiątki tysięcy dolarów na procedury patentowe. W tej sytuacji nie mam moralnego prawa do zysków z tych patentów.

Rozmawiał 
Piotr Kieraciński

Komentarze