Un silicone colorato-violento che potrebbe condurre elettricità

Una variante del silicone scoperta di recente è un semiconduttore. I ricercatori dell'Università del Michigan hanno scoperto-sconvolgendo le ipotesi secondo cui la classe del materiale è esclusivamente isolante.

"Il materiale apre l'opportunità per nuovi tipi di display a schermo piatto, fotovoltaici flessibili, sensori indossabili o persino indumenti in grado di visualizzare diversi modelli o immagini", ha affermato Richard Laine, professore di scienza e ingegneria dei materiali e di scienza e ingegneria macromolecolare e autore corrispondente dello studio recentemente pubblicato su Macromolecular Rapid Communications.

Gli oli siliconici e le gomme-polisilossani e silsesquiossani-sono tradizionalmente materiali isolanti, ovvero resistono al flusso di elettricità o calore. Le loro proprietà resistenti all'acqua- li rendono utili in dispositivi biomedici, sigillanti, rivestimenti elettronici e altro ancora.

Nel frattempo, i semiconduttori convenzionali sono generalmente rigidi. Il silicone semiconduttore ha il potenziale per consentire l'elettronica flessibile descritta da Laine, così come il silicone disponibile in una varietà di colori.

A livello molecolare, i siliconi sono costituiti da una struttura di atomi alternati di silicio e ossigeno (Si-O-Si) con gruppi organici (a base di carbonio-) attaccati al silicio. Quando si collegano tra loro si formano varie formazioni 3D di catene polimeriche, fenomeno noto come reticolazione-, che alterano le proprietà fisiche del materiale come resistenza o solubilità.

Mentre studiava diverse strutture di reticolazione nel silicone, il team di ricerca si è imbattuto nel potenziale di conduttività elettrica in un copolimero, che è una catena polimerica contenente due diversi tipi di unità ripetitive -strutturate in gabbia-e quindi siliconi lineari in questo caso.

La possibilità della conduttività deriva dal modo in cui gli elettroni possono muoversi attraverso i legami Si-O-Si con orbitali sovrapposti. I semiconduttori hanno due stati principali: lo stato fondamentale, che non conduce l'elettricità, e uno stato conduttivo, che lo fa. Lo stato di conduzione, noto anche come stato eccitato, si verifica quando alcuni elettroni saltano verso il successivo orbitale elettronico, che è collegato attraverso il materiale come un metallo.

In genere, gli angoli di legame Si-O-Si non consentono tale connessione. A 110 gradi, sono molto lontani da una linea retta di 180 gradi. Ma nel copolimero siliconico scoperto dal team, questi legami iniziano a 140 gradi nello stato fondamentale-e si estendono fino a 150 gradi nello stato eccitato. Ciò è stato sufficiente per creare un’autostrada per il flusso della carica elettrica.

"Ciò consente un'interazione inaspettata tra gli elettroni attraverso più legami, inclusi i legami Si-O-Si in questi copolimeri", ha affermato Laine. "Più lunga è la catena, più facile è per gli elettroni percorrere distanze maggiori, riducendo l'energia necessaria per assorbire la luce e quindi emetterla a energie inferiori."

Le proprietà semiconduttrici dei copolimeri siliconici ne consentono anche lo spettro di colori. Gli elettroni saltano tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato assorbendo ed emettendo fotoni o particelle di luce. L'emissione di luce dipende dalla lunghezza della catena del copolimero, che il team di Laine può controllare. Lunghezze della catena più lunghe significano salti più piccoli e fotoni a energia inferiore, conferendo al silicone una tinta rossa. Le catene più corte richiedono salti maggiori da parte degli elettroni, quindi emettono luce ad energia più elevata verso l’estremità blu dello spettro.

Per dimostrare la connessione tra la lunghezza della catena e l'assorbimento e l'emissione della luce, i ricercatori hanno separato i copolimeri con diverse lunghezze di catena e li hanno disposti in provette da lunghe a corte. Illuminare i tubi con una luce UV crea un arcobaleno completo poiché ciascuno assorbe ed emette la luce a energie diverse.

La gamma colorata basata sulla lunghezza della catena del copolimero è particolarmente unica perché fino ad ora i siliconi erano noti solo per essere trasparenti o bianchi perché le loro proprietà isolanti li rendono incapaci di assorbire molta luce.

"Stiamo prendendo un materiale che tutti pensavano fosse elettricamente inerte e dandogli una nuova vita-che potrebbe alimentare la prossima generazione di dispositivi elettronici morbidi e flessibili", ha affermato Zijing (Jackie) Zhang, dottorando in scienza e ingegneria dei materiali dell'U-M e autore principale dello studio.