باء - خصائص البوليمرات السلوكية للأجهزة الإلكترونية المرنة

Properties of Conductive Polymers for Flexible Electronic Devices

إن البوليمرات السلوكية هي فئة فريدة من المواد العضوية التي تجمع بين الخواص الكهربائية للمعادن ومزايا تجهيز البلاستيك، وعلى عكس الموصلات التقليدية غير العضوية، فإن هذه البوليمرات تنطوي على خلفية متجانسة تتيح نقل البضائع، بينما يمكن معالجة هيكلها الجزيئي عن طريق التخدير الكيميائي أو التمزيق، وقد انتقلت البوليمرات السلوكية خلال العقود الثلاثة الماضية من الفضول المختبرية إلى عناصر أساسية متطورة.

أهم المُنتجات السلوكية

وفهما لما يناسب البوليمرات السلوكية الإلكترونيات المرنة، يجب أولا أن يستوعب الخواص الأساسية التي تحكم سلوكهم، وأكثر الخصائص أهمية - السلوكيات الكهربية، والمرونة الميكانيكية، والقدرة على التجهيز، والاستقرار البيئي - كلها أمور مترابطة، وكثيرا ما تتطلب التفكير على نحو دقيق من خلال الكيمياء المادية وهندسة الأجهزة.

التصريف الكهربائي

السمية السمية: يمكن أن تؤدي المادة 1 إلى إحداث تضخم مكثف، أو إلى إحداث تضخم ميكانيكي، أو إلى تكاثر البولي فيد، أو إلى إحداث تضخم في البوليمرات، أو إلى تكاثر البوليميرات (البوليفية) أو البوليمرات البلاستيكية المعروفة في هذه الحالة (مثل البوليستاين، أو البولينيلين (PANI)، أو البوليبيرول (PPy)، أو تعددية 4

آليات التوحيد

كما أن التلاعب بالبوليمرات السلوكية لا يقتصر على الأساليب الكيميائية؛ فالتدمير الكهروكيميائي، والتغليف بالصور، بل وحتى التكسير الميكانيكي من خلال السلالة، وقدرة على التحكم بدقة في مستوى التعبئة، حيث يتراوح بين 0.1 في المائة و30 في المائة من الوحدات الاحتكارية، تتيح للمهندسين تضييق الخواص الكهربائية لتطبيقات محددة، وهذا التكتم هو ميزة كبيرة على المعادن التقليدية التي تحددت فيها مسلكية.

آليات النقل

ويحدث النقل في البوليمرات السلوكية عن طريق التصفيق عبر التراكين على طول العمود الفقري الملوث والقفز بين السلاسل المتاخمة، ويحدث المورفولوجيا في مناطق البوليمر - الكريستاللين، والحدود من التضاريس، ويؤثر وجود مضاعفات الدوبات - بشكل حاد على الصبغة الفلكية للجهاز المضغوط.

المرونة والقابلية للاستمرار

فالقابلية للتأثر هي الميزة المحددة للبوليمرات السلوكية على الموصلات غير العضوية المشوية، بخلاف أكسيد القصدير في الداخل، الذي يشق السلالات التي تقل فيها نسبة 1 إلى 2 في المائة، فإن العديد من البوليمرات السلوكية يمكن أن تصمد في الرفع إلى نصف قطرة من بضعة مليمترات وضائقات النسيج تتجاوز 20 في المائة، وهذا الامتثال الميكانيكي ينبع من الإجهاد الذي يمتد من سلسلة الإجهاد التي تدور بين البوليمر.

الأداء الوشيك والمتسلسل

The key metric for flexibility is the change in electrical resistance underميكانيكيal deformation. State-of-art PEDOT:PSS films show less than a 10% increase in resistance after 1000 bending cycles at a radius of 5 mm. For extendable applications, elastomeric blends are often employed. For example, PEDOT:PSS can be combined with a soft polyurethane or styre

الحياة الفاتية والتعافي الذاتي

إن قابلية التشغيل الطويلة الأجل لها أهمية حاسمة بالنسبة للملابس والزوارق الطبية التي يجب أن تستمر في الحركة المستمرة، وتتأثر مقاومة الفاتاغ في البوليميرات السلوكية بالوزن الجزيئي، والكثافة المتقاطعة، ووجود سندات دينامية، وتدمج بعض البوليمرات السلوكية الآن الكيمياء ذاتية التلقيم، مثل ربط الهيدروجين أو التنسيق بين المعادن التي تسمح باستعادة المواد بصورة مستقلة.

القدرة على التجهيز والتسعير

ومن أكثر المزايا إلحاحاً للبوليمرات السلوكية توافقها مع تقنيات التصنيع القائمة على الحل، فخلافاً لأكسيدات المعادن التي تتطلب عادة ترسب الفراغ والحرق العالي التمرين، يمكن إيداع البوليمرات السلوكية من المذيبات الكهرية أو العضوية باستخدام أساليب الطباعة والتغليف والرش، مما يقلل بدرجة كبيرة من تكاليف التصنيع ويتيح إنتاج مناطق كبيرة من المواد البلاستيكية.

تجهيز الحلول وقابليتها للتكرار

(ب) [التجهيزات المبسَّطة: هذه البوليمرات الأكثر نجاحاً تجارياً، وذلك إلى حد كبير بسبب قابليتها للتجهيز الممتاز، وهي تشكل تفريقاً مستقراً في المياه ويمكن طبعها بواسطة طوق أو طباعة الشاشات أو طباعة الطائرات المهبلية بقرارات تخفض إلى عشرات الميكرومترات، أما البوليمرات الأخرى، مثل البوليميرول، فهي أقل قابلية للطباعة في المذيب.

التوجيه والطباعة 3D

وبالإضافة إلى الطباعة التقليدية، فإن تقنيات الصنع المتقدمة تتوسع في مجال تصميم الإلكترونيات المرنة، ويتيح النقل الآجل المستخرج بواسطة الليزر تفصيلاً صغيراً من البوليمرات السلوكية دون أقنعة أو تجهيزات ما بعد التجهيز، وعلاوة على ذلك، يمكن تحويل البوليمرات الجاهزة إلى مواصف للطباعة الميكانيكية ذات الموجات المتعددة المطبوعة، مما يتيح إنشاء هياكل ميكانيكية معقدة ذات ثلاثة أبعاد، ذات طابع كهربائي مختلط.

الاستقرار البيئي وتدهوره

ويتوقف الأداء الطويل الأجل للبوليمرات السلوكية في بيئات العالم الحقيقي على مقاومتها للأكسجين والرطوبة والإشعاع فوق البنفسج وتقلبات درجات الحرارة، إذ أن البوليمرات المبكِّرة، مثل البوليستالين المكسور، كانت غير مستقرة وآخذة في التدهور خلال ساعات التعرض للهواء، وقد أُحرز تقدم كبير من خلال التصميم الجزيئي، والتكديس، واستخدام بدائل مخزنة أقل.

المكبّرات وأجهزة باريير

وللتخفيف من التدهور البيئي، كثيرا ما تتضمن الأجهزة الإلكترونية المرنة طبقات خام من المرشّحات التي تُصنع من مواد غير عضوية مثل أكسيد الألومنيوم أو نيتريد السيليكون الذي يُودع بواسطة ترسب طبقة الذرة، أو من طبقات الحاجز العضوية مثل الباريلين، ويمكن لهذه الحواجز أن تقلل من معدلات انتقال الملوثات إلى أقل من 10 [FLcept:0] -5 .

آليات التحلل واستراتيجيات التخفيف

كما أن التحلل في البوليمرات السلوكية ينتقل عبر طريقين: التدهور الكيميائي للخلفية الملوثة وإلغاء الدودنة بسبب فقدان أو رد فعل مضادات الدوبان، ويثير التساؤل بوجه خاص بالنسبة للمستشعرات العاملة في البيئات السائلة، حيث يمكن للآبار أن تنفجر، وتشمل استراتيجيات التصدي لذلك استخدام المضاعفات الكبيرة من الفول السوداني مثل حامض متعدد الأطراف.

النظم الأساسية للمواد

وفي حين تم تجميع مئات من البوليمرات السلوكية، لم يصل سوى عدد قليل منهم إلى مرحلة النضج التجاري للالكترونيات المرنة، وفيما يلي أكثر الأسر التي درست واستخدمت مواد، وكلها من ذوي الخصائص المميزة للممتلكات.

PEDOT:PSS

Po(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) is the industry standard for flexible transparent electrodes, antistatic coating, and organic electronics. Its high conductivity (up to 3000 S/cm after treatment), excellent transparency in efficient films ( ⁇ 90%), and compatibility with roll-to-roll processing make it the material of choice for touch

بوليانيلين (PANI)

وبالإضافة إلى ذلك، فإن بوليانيلين يُقدر لآليته الفريدة في مجال التكرير التي تتيح لها التحول بين الزرع (قاعدة الأيمرالدين) والتصرفات التصريفية (ملح الأيسلدين) التي تتيح استخدام التطبيقات في أجهزة استشعار الغاز، والمركبات الخارقة، والتدخل الكهرومغناطيسي، ويمكن معالجة النسيج من الحلول الحمضية، ويظهر منهجاً معتدلاً (حتى 10 سم/سم) ويقل الاستقرار الحراري.

بوليبيرو (بي بي)

ويُعرف أن البوليبيروفلور هو أحد أقدم البوليمرات السلوكية، ويُعرف بسهولة التوليف الكهروكيميائي والاستقرار البيئي الجيد، ويُستخدم على نطاق واسع في المحركات، والعضلات الصناعية، ونظم إيصال المخدرات، نظرا لقدرتها على إجراء تغييرات في الحجم أثناء إعادة تدوير الأوكسجين.

نظم أخرى جديرة بالملاحظة

Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) is a solution-processable semiconducting polymer with high charge carrier mobility (up to 0.1 cm2/V); and is widely used in organic photovoltaics and field-effect transistors. While not as conductive as PEDOT:PSS, its excellent optoelectronic properties and processability make it a cornerstone

التطبيقات في الإلكترونيات المرنة

وقد مكّنت المجموعة الفريدة من السلوكيات الكهربائية والمرونة الميكانيكية وقابلية عملية الحلول من اختراق مجموعة واسعة من التطبيقات الإلكترونية المرنة، وهي أقل المناطق أثراً وتسارعاً في النمو.

مرصد صحي معتدل

ويمكن للمستشعرات المتعددة الأطراف التي تعمل بالبوليمرات أن تكتشف إشارات فيزيائية مثل معدل القلب ودرجة حرارة الجسم والتكوين العرقي مع راحة اللبس لفترات طويلة، وعلى سبيل المثال، يمكن للأجهزة الكهربائية لرصد البوليروس المدمجة في المنسوجات أو رقائق الجلدية أن تقيس الإشارات الكهرومغناطيسية والكهرباء ذات الضغط المنخفض والضغط العالي على الجهاز المضغوط.

التلاعب المرن والإضاءة

وتعتمد أجهزة الاستنشاق بالكهرباء العضوية على أجهزة كهربائية شفافة تعمل على نقل شحنات الحقن بكفاءة، وفي حين أن أكسيد القصدير في الداخل لا يزال المعيار الذي يُستخدم فيه العرض الصلب، فإن ازدهارها يحد من استخدامه في أجهزة مرنة، وقد ظهرت الأفلام الرقيقة التي تستخدمها أجهزة التليفزيون ذات الشاشة العالية، حيث أصبحت العديد من الأفلام ذات الطابع الحساسية العالية (وهو ما يعادل 100 نوع من أنواع التلقيم/الصوت) ذات مرونة معززة.

تخزين الطاقة وتحويلها

كما أن البطاريات المرنة والمركبات الخارقة تستفيد من أجهزة البوليمر الكهربية التي يمكن أن تستوعب التشهير الميكانيكي مع الحفاظ على القدرة العالية.() وتُستخدم أجهزة التحكم الضوئية في المواد الكهربائية ذات القدرة الخارقة كمواد كهربائية قابلة للذوبان نتيجة لسلوكها التراكمي وارتفاع معدلات التسرب.() وتُستخدم الخلايا الشمسية المرنة القائمة على المادة 3 HT:

المنسوجات الذكية والطاقة الصالحة للزراعة

وتخلق البوليمرات السلوكية المشوهة في النسيج " المنسوجات الذكية " القادرة على الاستشعار والتدفئة والاتصال، وتظهر هذه البوليبيروقراطية المجهزة بالبلورات الاصطناعية تقل فيها القدرة على الاستشعارات ذات اللمس الأسري، بينما يمكن استخدام جهاز البوليستر المزود بجهاز البوليسترات المقاوم للراحة الحرارية، وقد أظهرت البحوث الأخيرة وجود بطارية متعددة النسيجات.

التحديات الحالية والاتجاهات المستقبلية

وعلى الرغم من مزاياها الكثيرة، فإن البوليمرات السلوكية تواجه عدة عقبات يجب التغلب عليها من أجل الاعتماد الواسع النطاق في الإلكترونيات المرنة التجارية، ومن أكبر التحديات التي تواجهها هذه الأجهزة المنخفضة نسبياً من حيث السلوك الكهربائي مقارنة بالمعادن والمواد النانوية الكربونية، وفي حين أن هذه المواد يمكن أن تصل إلى عوامل سلوكية تتعلق بآليات متعددة في كل سنتيمتر، فإن هذا لا يزال يقل عن مستوى النحاس (5.810[FLT]:

كما أن التكلفة والتصعيد ما زالا مبعث قلق، لا سيما بالنسبة للبوليمرات السلوكية التي تتطلب تركيبات معقدة أو احتكارات غريبة، غير أن تزايد توافر تركيبات PEDOT التجارية: ونضج عمليات التصنيع يؤديان إلى انخفاض التكاليف، وتشمل الاتجاهات المستقبلية تطوير البوليمرات السلوكية القابلة للتحلل الأحيائي بالنسبة للأجهزة الإلكترونية العابرة، التي يمكن أن تزول بأمان بعد حياتها التشغيلية، وإدماج أجهزة الاستخبارات الاصطناعية الجديدة في التعجيل

وباختصار، ثبت أن البوليمرات السلوكية تشكل لبنات بناء متعددة الأطراف للأجهزة الإلكترونية المرنة، مما يوفر مزيجا فريدا من الخواص الكهربائية والميكانيكية والمعالجة، وأن استمرار تطورها من خلال وعود هندسة المواد وإدماج الأجهزة من أجل فتح تطبيقات أكثر تطورا، من الجلد الإلكتروني إلى وصلات بينية لا تحصى، ومع تقدم البحوث، يمكننا أن نتوقع من البوليمرات السلوكية أن تؤدي دورا مركزيا متزايدا في تشكيل مستقبل مرن ومرن.