Table of Contents
הבא: עלייתם של פולימרים מוליכים באלקטרוניקה גמישה
השינוי ממכשירים נוקשים, גדולים אלקטרוניקה ועד משקל, לכופף, ומכשירים מתוחים הוא אחד המגמות הטרנספורמציות ביותר בהנדסה המודרנית.ממוניטורים רפואיים בעלי יכולת ללבוש התואמים לעור להצגתים מתקפלים ותופסים רובוטיים רכים, הביקוש לחומרים שיכולים לנהל חשמל תוך כדי רפורמציה מכנית מתמשכת של חומרים מסובכים, ללא מוליכים מגנטיים, סוג של חומרים אורגניים המשלבים את התכונות החשמליות עם גמישות ואפקטים של תהליך זה (אוקסנטימי) כמו עופרת מגנטית (מפוספסת) או עופרת עופרת קדמית (מדומים) או קדמית (מחדשנית) הנמצאים) הנמצאים תחת מפונקטיבית-ידית-מדומים של מקיפים של מקיפים של עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת עופרת רדיפטטיבית) תחת עופרת עופרת עופרת רדיפטטיבית) של חומרים רדיאלית של חומרים מפונקטיבית (מחדשנית זו, ללא מפונקטיבית) תחת מפונקטיבית (מחדשנית של חומרים מפונקטיבית) תחת קוסמטיקה מתמשכת של חומרים רדיפטטיבית-ידיעתית (מחדשנית זו,
הכימיה הבסיסית של פולימרים מוליכים
מתוך Insulating פלסטיקs to חשמל Conductors
(א) פולימרים כמו פוליתלין או פוליסטרון הם אינפורמטיביים חשמליים מצוינים כי האלקטרונים שלהם כבולים בחוזקה באג"ח מקומי של sigma ס"מ מוליכים פולימרים, לעומת זאת, יש לו עמוד אחורי מחוספס - רצף משתנה של אג"ח חד פעמי (F) שיכול ליצור מערכת אלקטרו-אלקטרונית מלוטשת במידה רבה (Dolating) באמצעות מערכת אלקטרו-אלקטרונית (DValtloization זה מאפשר אלקטרונים להזיז אלקטרונים לאורך זמן קצר לאחר מכן).
משפחות פולימרים
משפחות רבות של פולימרים מוליכים פותחו, כל אחת מהן עם תכונות נפרדות ונישות יישומים:
- (FLT:0)Polyaniline (PANI)FIRLT:1) ידוע על יציבות סביבתית ויכולת לעבור בין בידוד ועריכת מדינות באמצעות מינון חומצה / בסיס. PANI משמש נרחב ציפוי הגנה קורוזיה, חיישנים כימיים, וסרטים אנטי-סטטיים, אם כי הסולילות המוגבלות שלו בפתקים משותפים יכול לסבך את העיבוד.
- (FLT:0)Polypyrrole (PPy)cioFLT:1) - מציג ביו-גמישות טובה ו מוליכות בינונית (10–100 S/cm) PPy יכול להיות מופקד באופן אלקטרוכימי ישירות על פני השטח אלקטרו-דה, מה שהופך אותו אידיאלי עבור אלקטרו-רפואיים, ממשקים עצביים ומערכות משלוח סמים.
- (FLT:0)Polythiophenes (כולל PEDOT:PSS)FLT:1 - המשפחה הרלוונטית ביותר מבחינה מסחרית. Poly(3,4-ethylenelenedioxythiophene) המורכבת עם פולי(styrenesulfonate) (PEDOT:PS) מהווה סרט בעל אופיים, שקוף, מאוד התנהגותי (עד 4000 / Fite) עם תכונות אלקטרו-Fishs) מקיפים של אלקטרו-FID (D)
- (FLT:0) באופן היסטורי משמעותי כמו הפולימר הראשון להפגין מוליכות גבוהה על מינון (פרס נובל לכימיה 2000), אך הרגישות הקיצונית שלו לחמצן ולחות יש יישומים מעשיים מוגבלים.
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
Synthesis and Processing: From Lab to Corration Line
כבישים כימיים ואלקטרוכימיים
פולימרים מוליכים הם בדרך כלל מסונתז באמצעות פולימרון חמצון של מונומרנים שלהם.חמצן כימי (למשל, באמצעות ammonium persulfate עם חומצה dopant) מניב אבקות או פיזורים שניתן לעשות אדום או מתמוסס עבור עיבוד פתרונות. אלקטרוכימיזציה, לעומת זאת, מאפשר פיזור ישיר של הסרט על התנהגות פולימרנית על ידי רמה מדויקת של שימושית מתכת, הוא משמש עבור מתכת אלקטרו-מפוסקציה.
עיבוד פתרונות עבור סובסטרטים גמישים
עבור אלקטרוניקה גמישה, תהליך פתרון חיוני. PEDOT:PSS בדרך כלל מסופק כמו פיזור מוזר שניתן להפקיד על ידי ציפוי ספינ, ציפוי ריסס, ציפוי חריץ-die, או הדפסה דיוג'ט על תת-שכבות גמישות כגון הסרת terephtha קריטי (PET), פולימידיד, או אפילו נייר.
Scaling Up: Printing and Roll-to-Roll Manufacturing
המעבר מטיפוסי מעבדה למוצרים מסחריים התלויים בייצור קשקשים. מוליכים פולימרים תואמים כעת עם טכניקות הדפסה בעלות גבוהה באמצעות מחשב כולל הדפסה מסך, flexography, ו הדפסה גרפית, המאפשרת ייצור רול-to-to-rollation של מעגלים גמישים על פני אזורים גדולים. גישה זו מפחיתה את העלות ומאפשרת אינטגרציה עם רכיבים מודפסים אחרים (למשל, דיאלקטריים, מוליכים למחצה) עבור מערכות אלקטרו-אפודות סטנדרטיות, כולל חומרים אלקטרוניים, כולל חומרים מקודדים, כולל חומרים אלקטרוניים, כולל חומרים אלקטרוניים, כולל חומרים אלקטרוניים, כולל תכונות סטנדרטיים, כולל אלקטרוניקה, כולל אלקטרוניקה, כולל אופטימיזציה של 3DPTDPTDPTDPTDPTDNS.
תכונות שהופכות את הפולימרים המוליכים ל-HDMs בלתי ניתנים להשגה עבור אלקטרוניקה גמישה
סודיות מכנית
הגמישות הפנימית של רשתות פולימרים מאפשרת לסרטים מוליכים לעמוד בקרינית קטנה כמו 1 מ"מ וזן רבילי מעבר ל-20% ללא כישלון קטסטרופלי - קריטי עבור יישומים באלקטרוניקה לבשה, אקולוגית ורובוטיקה רכות. בניגוד, ITO שברים בזנים נמוכים כמו 1–2%.
מוליכים חשמליים
מוליכים מציעים מגוון רחב של מוליכים: מ- חצי-התמדה (הגנה על שחרור אלקטרוסטטי) להתנהלות גבוהה (מתחרים מאתגרים בנוסחאות מסוימות) בעוד הערכים הטובים ביותר (~10irFLT:04FLT:1 S/cm) עדיין מתחת ל-Nirkface (5.8×10FLT:25FLT 3 S/), שילוב של יישומים אלקטרו-era נמוכה, וגמישות נמוכה, כאשר הם גם אינם נדרשים לעיבוד אופטימחדש (מתאים)
שקיפות אופטית
סרטים דקים של PEDOT:PSS יכולים להשיג > 90% שידור בספקטרום הנראה תוך שמירה על עמידות של גיליון מתחת 100 ⁇ / sq, מה שהופך אותם מועמד מוביל עבור אלקטרודות שקוף גמישות בתצוגות, מסך מגע, ותאים סולאריים. פונקציונליות כפולה זו קשה להשיג עם רשתות מתכת או צינורות פחמן ללא סיבוכים.
התנהגות איטונית-חשמלנית
פולימרים רבים, במיוחד PEDOT:PSS ו- PPy, תומכים בתחבורה בו זמנית של ions ואלקטרונים. הנכס הזה חיוני לממשקים ביו-אלקטרוניקה, שבו ion fluxes ברקמות ביולוגיות חייב להיות מועבר אותות אלקטרוניים. ⁇ אלקטרו-כימיים אורגניים (OECTs) מנף את ההתנהלות מעורבת זו כדי להשיג נטיות גבוהות ואפקטיביות במתח נמוך, המאפשר אותות רגישים של זיהוי אלקטרו-חושביולוגי.
זמינות ודיכאון
כמה פולימרים מוליכים להפגין cytotoxicity נמוך ניתן מהנדס כדי לחדור לתוך מוצרים בלתי מזיקים לאחר תקופה מוגדרת.זה פותח את הדלת עבור שתלים אלקטרוניים transient או ביוסרבable שאינם דורשים הסרה כירורגית לאחר השימוש - שדה גדל במהירות בעיצוב מכשיר רפואי.
יישומים ב- Electronic Devices
חיישנים גמישים ולבוש
פולימרים מוליכים משמשים נרחב כחומר פעיל במתח, לחץ, וחיישנים אלקטרוכימיים.ההתנגדות של PEDOT:PSS הסרט שינויים בחיזוי תחת עיוות מכני, המאפשר זיהוי של זוויות משותפות, דפוסי נשימה, או הדופק בעורק רדיואקטיבי כאשר משולב כתמים גמישים או טקסטיל. חיישנים אלקטרוכימיים המבוססים על PEDOT:S כ- ion-to-electronicducer רגישות גבוהה עבור גלוקוז, או משחתמיים מתאימים.
תצוגה ו-Otoelectronics
בגוון אור אורגני (OLEDs), פולימרים מוליכים משמשים כמו הזרקת חור ושכבות תחבורה, שיפור יעילות המכשיר וחיי החיים. PEDOT:PSS משמש בדרך כלל כדי להחליק את פני השטח של aode ולשפר את הזרקת המטען מ ITO או אלקטרודות. גמישים תצוגות OLED פעיל - עכשיו מסחרי בטלפונים חכמים מתקפלים וטלוויזיות קלסולקות - על בסיס פולימריאים המבוססים על אלקטרו-ידי פולימריאים כדי לעמוד במולקולות (אונדקס) כדי לעמוד בתאים פעילים של תאים חשמליים או תאים פעילים (מדומים) או תאים חשמליים).
אחסון אנרגיה: Supercapacitors ו- Batteries
חומרים pseudocapacitive כמו PANI ו-PPy לאחסן מטען באמצעות תגובות בצבע אדום מהיר, השגת קיבולים ספציפיים גבוה (400-800 F / g) כאשר שהופקדו כסרטים דקים או בשילוב עם פחמן ננו-חומרים גמישים שנבנו על טקסטיל או מטבוליט נייר יכול לשפר חיישנים ללא רכיבים קשיחים.
« רובוטיקה Soft Robotics
כאשר מתח מוחל, פולימרים התנהגותיים מסוימים (למשל, PPy, PEDOT) עוברים שינויים בנפח בלתי הפיך עקב הוספת יון או גירוש. פעולה אלקטרו-מכאית זו מחקה שריר טבעי, יישומים נהיגה בתופסים רכים, שסתום מיקרו-השפעה, ומכשירי משוב קדחתניים (B או משולשים) המהווים סרט מעשי על פולימרים פאסיביים על תת-מערכתיים יכולים ליצור אובייקטים זעירים (או-רפואיים) קטנים (אוטיים) והופכים למתחים).
טלוויזיות ו-Nural Interfaces
ניטור בריאות מתמשך דורש אלקטרוניקה התואמים באופן אינטימי לעור.חשמל פולימרים מוליכים למדוד ביופוטנטיות (ECG, EMG, EEG) עם פריטים תנועה נמוכה יותר איכות אות טובה יותר מאשר אלקטרודות ג'ל קשיחות (e-skin) משלבת מערךים של לחץ, טמפרטורה, וחיישנים שנבנו מטרנסים טבע ומקשרים, המאפשרים התנגשויות טטיליות עבור דוחות אלקטרואקטיביים מודרניים: 0FK-Freatives:
אתגרים מתקדמים
למרות התקדמות משמעותית, פולימרים מוליכים עדיין עומדים בפני מגבלות שיש לטפל בהן לאימוץ תעשייתי נרחב.
- (FLT:0) חינוךיות לעומת מתכת מתכתsFIRLT:1; ההתנהגויות הגבוהות ביותר של פולימרים priseine (ללא תוספים מתכת) הם עדיין סדר גודל נמוך יותר מאשר נחושת. עבור יישומים עתירי עתירי עתירי, היברידית משלבת ננו-חוטי כסף, צינורות פחמן, או גרפן משמשים לעתים קרובות כדי להגביר את ההתנהגות תוך שמירה על גמישות.
- (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ (ה) , ⁇ לחמצן, לחות וקרינת UV יכול לזלזל בעמוד השדרה המחוספס, המוביל לירידה בהתנהגות לאורך זמן.
- (FLT:0) תורת היחסות המכנית (Mechanical DurancyFLT:1): חזור על התכווצות או מתיחה יכול לגרום למיקרו-קracks ו- delamination, במיוחד בסרטים עבים.
- (FLT:0) הסתברות ו ScalabilityFLT:1): עובי סרט אחיד, doping, ו מורפולוגיה על אזורים גדולים נשאר מאתגר עם טכנולוגיות הדפסה נוכחיות.ריאציות ink אצווה, גסות תת-קרקעית, ותנאים יבשים יכולים להוביל לביצועים לא עקביים של מכשירים מתקדמים.
החוקרים ממקמים את הנושאים הללו באמצעות הנדסה מולקולרית (למשל, תכנון פולימרים גבישיים גבוהים עם שרשראות צד הוראה), שילוב של הפליפטים כדי להגדיל את יכולת המתח, ופיתוח חומרים מורכבים.לדוגמה, PEDOT:PSS עם תוספי נוזל ionic השיגו יותר מ-4,000 S / ס"מ יחד עם מוגבלות גבוהה, מפורטים ב-F:0a ScienceLTFalrated:1.
פריצות דרך ודרכים מתפתחות
התחום ממשיך להאיץ עם חידושים בעיצוב חומרי ושילוב מכשירים.
- (ב) [ה]: [ה] [ה] [ה]: [ה] [ה] [ה]] [ה]]][ה]]] [ה][ה]]]]][ה]]]]: הפולימרים שיכולים להחזיר את ההתנהלות לאחר שחתכוונתם של אלקטרוניקה בסביבות תובעניות.
- (FLT:0) Bioresorbable ElectronicsFLT:1: פולימרים מוליכים אשר מחלחלים בבטחה בגוף לאחר תקופה מוגדרת נבדקים עבור שתלים זמניים - כגון צגים לאחר ניתוח או מערכות תרופות - תוך מתן הכרה בצורך של מכשירים מחדש.
- (FLT:0) סיבים פונקציונליים סיביים 1FLT: על ידי שילוב פולימרים מוליכים עם טכניקות ספינינג, החוקרים יצרו סיבים שפועלים בו זמנית כחיישנים, אקטוטורים, וקווי שידור נתונים.
- (FLT:0)Neuromorphic מחשובי מברק:1: טרנזיסטורים אלקטרוכימיים אורגניים המבוססים על פולימרים מוליכים יכולים לחקות הפלסטיות סינתטיות, המציע חומרה בעוצמה נמוכה לרשתות עצביות מלאכותיות.ההתנהגות האקולוגית-אלקטרונית המעורבת מאפשרת עדכונים הדרגתיים במשקל, חיקוי למידה ביולוגית.
- (FLT:0) Advanced ManufacturingFLT:1: 3D הדפסה של הידרוג'ל פולימרים התנהגותית ו הדפסה סילון אווירול של דיובים פולימרים מרחיבים את המורכבות הגיאומטרית של מכשירים גמישים, המאפשרים מותאמים אישית, שתלים ספציפיים לחולה או אנטנה מתאימה.
שיקולים סביבתיים וקיימות
(התעשייה האלקטרוניקה מתמודדת עם חששות גוברים על פענוח משאבים ופריפולימרים מוליכים מציעים נתיב ייחודי לטכנולוגיות ירוקות יותר. פולימרים מוליכים רבים ניתן לסנתז ממונומרים מתחדשים או נועדו לניתוק בתנאים קלים. לדוגמה, פוליתולנטים שמקורם בכימיקלים ירוקים ללא חומרים מחוסנים ירוקים, אך הם יכולים להיות ממוסממים על ידי שימוש בכימיקלים קלים יותר מאשר כימיקלים ממתכתיים.
תחזית עתיד: לקראת אלקטרוניקה גמישה
בעוד תעשיית האלקטרוניקה נעה לכיוון קיימות, פולימרים מוליכים מציעים פרופיל סוף-חיים אטרקטיבי: הם יכולים להיות מעוצבים עבור biodegradation או מחזור קל יותר בהשוואה לרכיבים מבוססי סיליקון ומתכת.החזון של תגים אלקטרוניים חד-פעמיים מלאים עבור אריזה חכמה, על-עין מעקבים רפואיים עבור תרופות מותאמות אישית, ו photovoltaics גמישים גדולים הופך למציאות, נתמך על ידי גלילה-גלגלה קווים להפחית באופן דרמטי.
מחקרים מתקדמים נועדו לסגור את פער ההתנהגותיות עם מתכות נוספות, אולי על ידי התאמת שרשראות פולימרים ב nanoscale או באמצעות שליטה מדויקת של הפצה דונט. למידת מכונה היא מאיצה את התגלית של פורמולציות פולימרים חדשות עם ביצועים משופרים, בעוד ההתקדמות במודל חישובי לספק תובנות עמוקות יותר לתוך מנגנוני תחבורה המטען. Regulatory ובטיחות מבוססים עבור מכשירים כי מגע הגוף האנושי, והתנהלות פולימריאים הם היטב לדרישות ביו-עמידה לעמוד בדרישות בטיחות אורגניות.
השילוב של חומרים אלה ירחיב מעבר לגאדג'טים צרכניים.סרטים פוטו-וולטאיים גמישים עשויים לכסות משטחים אדריכליים לא סדירים, חיישנים מבוססי פולימרים מוליכים מוליכים מוליכים חיישנים ינטרו את בריאות התשתית (גשרים, צינורות), ומערכות רובוטיות רכות יעזרו בהליכים רפואיים עדינים.על ידי שילוב בצורה חלקה לתוך הסביבה שלנו, פולימרים מוליכים מבטיח עתיד שבו אלקטרוניקה כבר לא קשיחים, אלא הרחבה טבעית של פני השטח, בגדים, ורקמות חיים, וסקרנות יוצאת דופן של מעבדה, ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממעבדות ממתכת.