انجمن شیمیدانان جوان

مواد هوشمند

پليمرهاي رسانا دسته اي از مواد الكترونيكي هيجان انگيزي هستند كه بواسطه داشتن تركيبي از خواص الكتريكي
و نوري فلزات يا نيمه هاديها و خواص مكانيكي پليمرها كاربردهاي وسيعي يافته اند بطوريكه با مطالعه درك و بكار
گيري خواص شيميايي و ديناميكي آنها يك خط ارتباطي به دنياي مولكولي و بيومولكولي بدست مي آيد كه پايه اي
براي توسعه سيستمهاي هوشمند وابسته از طريق پيشرفت ارتباطات درون سيستمي خواهد بود.
واژه هاي كليدي: مواد هوشمند، پليمرهاي رسانا، پليمرهاي الكترواكتيو رسانا، پليمرهاي ارتباطي
مواد هوشمند
اگر بتوان آرايش اتمي مواد آلي و معدني را در حد نانومتر بطور دقيق تعريف نمود در آنصورت ساخت مواد
هوشمند كه ميتواند بسياري از فن آوريها از جمله اتباطات بين س يستمي را متحول نمايد امكان پذير ميگردد .كنترل
اندازه مواد در حد نانومتر ظريفتر كردن پردازش اطلاعات و انتقال انرژي را ممكن ميسازد.اكنون شيميدانها در صدد
ساختن ساختارهاي بزرگ از زير ساختهاي كوچكتر مي باش ند و ديگر متخصصان، فنون تهيه و فرآوري نيم رساناها را
در مقياس نانومتر تجربه ميكنند.واضح است كه پيشرفتهاي اوليه در برقراري ارتباطات وابسته به ميزان در دسترس قرار
داشتن مواد بوده است به همين دليل پيش از اين در سيستمهاي تلگرافي مواد ساده اي نظير آهن براي توليد ميدانهاي
مغناطيسي، مس براي هدايت الكتريسيته و شيشه ويا فيبرهاي طبيعي براي عايق بندي بكار برده ميشد اما تهيه مواد
الكترونيكي مانند ژرمانيم و سيليسيم ارتباطات را متحول نمود بطوريكه اكنون ميتوانيم با افراد ديگر نقاط دنيا صحبت
كنيم و يا اتفاقات رخ داده درآن نقاط را بطورهمزمان مشاهده نماييم ، همچنين اسناد و مدارك زيادي را در مدت
بسيار كمي به تمام نقاط دنيا انتقال دهيم. اين مواد قابليتهاي ما را در دريافت، پردازش، ذخيره وانتقال اطلاعات توسعه
داده اندو هر روز بر ميزان تحقيقات در اين زمينه افزوده ميشود.
در طول پنجاه سال گذشته گستره اي از مواد كه نسبت به محركهاي فيزيكي و شيميايي عكس العمل نشان ميدهند
ساخته شده اند كه توانايي ما را جهت درك و بررسي شرايط محيط افزايش داده اند به عنوان مثا ل اطلاعات كمي و
كيفي درجه حرارت، رطوبت، تركيبات شيميايي هوايي كه تنفس ميكنيم و ي ا آبي كه مينوشيم اخيرا قابل دسترسي
است.توسعه و كاربرد مواد معدني مانند فلزات، شيشه ها و نيمه هاديها در حسگرها باعث ساخت الكترودهاي انتخابگر
نسبت به يون LaF انتخابي عمل ميكنند ويا شبكه 3 Η+ يوني شده است مثلا شيشه هاي خاصي نسبت به غلظت
F–
بصورت انتخابي واكنش ميدهد و نيز جذب عوامل
كمپلكس كننده در غشاهاي پلي وينيل كل ريد سبب كشف
الكترودهاي انتخابگر كلسيم شد ه است.به تازگي در زمينه
ساخت حسگرها، مواد پليمري آلي نيز بي نهايت مفيد واقع
شده اند.
پليمرهاي ارتباطي
مشهورترين خواص پليمرها عبارتند از : استحكام ، وزن
كم ، خنثي بودن و عايق بودن . بنابراين معمولي ترين نقش
آنها در توسعه سيستمهاي ارتباطي جديد ايجاد حفاظ
الكتريكي براي كابلهاي انتقال اطلاعات ميباشد.در اواخر
دهه 1970 دسته جديدي از پليمرها كشف شد كه قادر به
هدايت الكتريسيته بودند. رسانايي و هدايت بدليل شكل
ساختماني خاص پليمرهايي ميباشند كه وقتي به حالت اكسيداسي ون مشخص در مي آيند به الكترونها اجازه ميدهند در
طول زنجير پليمري انتقال يابند .اين پليمرها همچنين قابليت تحريك بوسيله الكترون را دارند و ميتوانند با اعمال كمي
انرژي به حالتهاي مختلفي در آيند .به عنوان مثال پلي پيرول وپلي تيوفن ميتواند طبق معادله زير متحمل تغييرات
اكسيداسيون و احيا گردد كه باعث تغييرات مهمي در خواص فيزيكي و شيميايي پليمر ميگردد.
چنين پليمرهاي سبكي ميتوانند جايگزين فلزات هادي در سيستمهاي ارتباطي و توسعه ابزارهاي الكترونيكي مانند
6000 در دانشگاه دورهام ساخته شده است (در S/Cm ديودها، كليدها و... شوند تا جاييكه پليمرهاي با هدايت
شكل 1 وضعيت رسانايي پليمرهاي رسانا با مواد مختلف مقايسه شده است).
نام وشكل ساختماني بعضي پليمرهاي رسانا
پيشرفتهاي فوق در ارتباطات پليمري با بهره از خواص
فيزيكي و ديناميكي اين سيستمها حاصل شده است وبا درك
و بكار گيري خواص شيميايي و ديناميكي آنها يك خط
ارتباطي به دنياي مولكولي و بيومولكولي بدست مي آيد كه
پايه اي براي توسعه سيستمهاي هوشمند وابسته از طريق
پيشرفت ارتباطات درون سيستمي خواهد بود.
پليمرها در طبيعت بطور بسيار موثرتري بكار گرفته شده
اند و اساس قابليتهاي احساسي ما را تشك يل داده اند. توانايي
جهت بوييدن، ديدن، شنيدن، لمس كردن و چشيدن مبتني بر
فرايندهايي است كه در سطح پليمري رخ ميدهد كه شامل
بر هم كنشهاي مولكولي ساده در زمان و مكان مناسب است.
شناسايي مواد جديد مانند پليم رهاي الكترواكتيو رسانا 3
با خواص شيميايي قابل كنترل در محيط نشان دهنده دوره
تازه اي در ارتباطات در سطح مولكولي و بيومولكولي
ميباشد. خواص رسانايي ذاتي اين مواد به آنها امكان كوپل
شدن با وسايل الكترونيكي رايج جهت تهيه خط ارتباطي با جهان مولكولي كه تا كنون ميسر نبوده است را فراهم
مينمايد. با جفت نمودن مناسب پليمرهاي رسانا ميتوان محركهاي الكتر يكي را براي كنت رل بر هم كنش اين مواد با
حلالها، يونهاي كوچك، مولكولها و ماكرومولكولها بكار برد و فرايندهاي انجام شده توسط آنها را با استفاده از
وسايل اندازه گيري در محيط جديد قابل مشاهده ساخت.
تهيه پليمرهاي ارتباطي
تهيه پليمرهاي رسانا بر خلاف پليمرهاي مع مولي يك فرايند ظريف و فوق العاده پيچيده ميباشد كه لازم است بتوان
ساختار مولكولي را بگونه اي متعادل ساخت كه مناسبترين خواص شيميايي، مكانيكي و الكتريكي را دارا باشد در
حاليكه انعطاف پذيري مولكولي مطلوب جهت خواص ديناميكي مورد نياز در برقراري ارتباطات نيز بايستي حفظ شود.
پليمرهاي رسانا ميتوانند در سطح الكترود درون محلول تشكيل شوند.
واكنش پليمريزاسيون تا زماني پيش ميرود كه با ناخالصي تركيب شده و در نهايت قابليت انحلال پليمر از حد
مشخصي تجاوز كند و رسوب روي الكترود تشكيل شود سپس پليمر ميتواند روي اين نقاط فعال ايجاد شده رشد نمايد
و عمل رسوب گذاري ادامه يابد . پلي پيرول يك فرصت استثنايي را بوجود مي آورد زيرا ميتواند با گستره وسيعي از
يونهاي همراه(
A– )تركيب شود.
يك يا چند بر هم كنش مولكولي ميتواند بوسيله تركيب يونهاي همراه مناسب تشديد گردد. پليمرهاي الكترواكتيو
FeCl رسانا با روش پليمريزاسيون شيميايي نيز تهيه ميشوند كه واكنش به آساني با بكار بردن اكسيدكننده اي مانند 3
مقايسه رسانايي پليمرهاي رسانا با مواد مختلف
شروع ميشود. دامنه يونهاي همراه در اين روش محدود ميباشد اما اگر شكل كلوييدي تشكيل شود.
ميتوان در حضور پايدار كننده هايي مانند پلي وينيل الكل و پلي اتيلن اكسيد نمونه هاي مناسبي از پلي پيرول و پلي
آنيلين تهيه نمود. جهت تهيه كلوييدهاي پليمري رسانا به روش الكتروشيميايي بايد واكنش در حضور جريان و
پايداركننده مناسب انجام شود كه به اينصورت امكان تهيه آنها بامشاركت طيف وسيعتري از يونهاي هم راه فراهم
ميشود.
برهم كنشهاي مولكولي
Interaction type Example Distance
dependence
Relative
strength Direction dependence
Ionic
N H
H
H
C
O
HO
1/r Nondirectional but requires
electroneutrality
Ionic –dipole
N H
H
H
O C
OH
1/r2 Directional
Dipole – dipole
( H- bonding)
N
H
O C
OH
H
1/r3 Directional
Ion induction
N H
H
H
C
H
H
H
1/r4 Nondirectional
Dipole induction
N
H
H C
H
H
H
1/r6 Nondirectiona
Dispersion
C
H
H
C H
H
H
H
1/r6
Dependent upon
molecular weight
Nondirectiona
اغلب سيستمهاي پليمري رسانا بايد بطور كامل به درون ديگر ساختارها انتقال يابند تا خواص فيزيكي و ديناميكي
مطلوب بدست آيد بنابراين يكي از مشخصات لازم آنها قابليت تهيه در شكلهاي مختلف ميباشد . فيلمهاي خود پايدار
N
H
+ 2.33 n FeCl3
N
H
+
+ 0.33 Cl
_
n
+ 2.33 n FeCl2 + 2 n HCl
پليمرهاي رسانا را ميتوان بطريق الكتروشيميايي تهيه كرد .اين نوع پليمرها ميتوانند در ميان ديگر ساختارها نيز رشد
كنند.بعنوان مثال پلي وينيل الكل ميتواند بر روي الكترود رسوب داده شود و پليمر رسانا درون آن رشد داده
شود.همچنين ميتوان آنها را بطريق الكتروشيميايي در ميان هيد روژلهايي نظير پلي آكريل آميد رشد دا د.اين قابليت
باعث ميشود كه خواص الكتروشيميايي پليمرهاي الكترواكتيو رسانا با خواص مكانيكي عالي پليمرهاي معمولي تركيب
شود.
براي تعيين رفتار سيستمهاي پليمري رسانا در مقياس مولكولي و عكس العمل آنها نسبت به محركهاي الكتريكي
بايد از ابزار و تكنيكهايي بهره جست كه اطلاعات را در زمان مربوطه به محقق و پژوهشگر بدهد . مثلا از طيفهاي
جهت مطالعه تغيير در خواص نوري كه به هنگام اكسيداسيون و احيا پليمر روي ميدهد و نيز طيف UV-Vis
طيف سنجي رامان ، تكنيكهاي كروماتوگرافي و ميكروسكوپ الكتروني جهت تعيين ويژگي ، FT -IR سنجي
مولكولي پليمرها استفاده مي شود.
كاربردها
معمولا تغيير در خصوصيات پليمرهاي رسانا همر اه با واكنشهاي اكسيد و احياء همراه است كه منشأ كاربردهاي
مختلف از جمله ساخت باتريها، خازنها، فعال كننده هاي اكسيد و احيا، پنجره هاي هوشمند، ترانزيستور، پرينترهاي
جوهر افشان، جوهر و چسب رسانا، پوششهاي پودري، حسگرها ويا كنترل خوردگي شده است.
پليمرهاي فتوولتايي
اگر يك لايه پليمر حساس به نور مانند پلي فنيلن وينيلن بين دو الكترود قرار گيرد كه يكي از آنها از جنس شيشه
پوشيده شده با اكسيد ايريديم قلع 5 و ديگري از جنس آلومينيوم يا كلسيم باشد به هنگام تابش نور مولكولهاي پليمر
برانگيخته شده وانتقال الكترون به اربيتالهاي خالي باعث ايجاد جريان الكتريكي بين دو الكترود ميشود .هزينه توليد اين
نوع پليمر بسيار ارزان بوده وانتظار ميرود در آينده جهت ساخت ديوار وسقف ساختمانها بكار رود.
تكنولوژيهاي مشاهده
فرايندبكار رفته در تجهيزات فتوولتايي ميتواند برعكس جهت توليد نور نيز استفاده شود،يعني تح ت يك ميدان
الكتريكي ، در اثر انتقال الكترونها بين لايه ظرفيت و اربيتالها ي خالي (آند وكاتد ) فوتون يا نور ساطع ميگردد.
تحقيقات در اين زمينه سبب ساخته شدن پليمرهايي شده است كه ميتوانند نورهايي به رنگ قرمز، آبي و سبز توليد
نمايند.
مواد الكتروكروم(رنگزاي الكتروني)
يكي از كاربردهاي بسيار جالب پليمرهاي رسانا استفاده در ساخت تجهيزات الكتروكروم ميباشد مانند پلي تيوفن
كه ميتواند در حالتهاي مختلف رنگهاي مختلفي داشته باش د يعني در حالت اكسيد به رنگ قرمز و در حالت احيا به
رنگ آبي در آيد وي ا پلي آنيلين كه قابليت توليد طيف وسيعي از رنگها را دارد به همين دليل از آنها در سيستمهاي
هشدار دهنده مشاهده اي رنگي (آلارمهاي مشاهده اي) و پنجره هاي هوشمند استفاده ميشود.
فعال كننده هاي الكترومكانيكي
تغيير در حجم پليمرهاي رسانا در اثر حركت يونها در طول واكنش اكسيد و احيا امكان ا ستفاده از آنها را جهت
تهيه ماهيچه مصنوعي مهيا نموده كه اين خود منشاء تحقيقات گسترده اي در زمينه ساخت اعضاي مصنوعي مانند قلب
وصورت شده است.از آنجا كه اين پليمرها انعطاف پذير بوده و قابليت تبديل انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي و
حركتي را دارند لذا تحقيقات وسيعي جهت استفاده آنها در ساخت قلبهاي مصنوعي صورت گرفته است .در قلب
طبيعي كه شامل بافت قلب،خون و جريان الكتريكي است انرژي مورد نياز ماهيچه قلب توسط خون تأمين ميشود اما
قلب مصنوعي كه شامل منبع انرژي،كنترل كننده الكتريكي، موتور الكتريكي، سلونوييديا يك عنصر مشابه تبديل
انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي بوده و انرژي لازم از يك منبع انرژي كه معمولا يك باتري است كسب مينمايد.از
آنجا كه موتور الكتريكي جهت تأمين نيروي پمپ بكار ميرود لذا يكي از اهداف استفاده از پليمرهاي رسانا توسعه
چنين پمپهايي است بطوريكه شبيه قلب طبيعي قابليت انقباض داشته باشد . (در شكل سه نوع قلب طبيعي،
الكترومكانيكي والكترواكتيو با هم مقايسه شده اند پيكانهاي زرد نشان دهنده انرژ ي و پيكانهاي قرمز نشان دهنده
جريان خون ميباشد).
قلب طبيعي،الكترومكانيكي و الكترواكتيو
همچنين با توجه به قابليت انقباض برگشت پذير اين نوع پليمرها امكان ساخت سر مصنوعي انسان با توانايي
حركت ماهيچه هاي صورت در زمان كمتر از يك ثانيه نيز مهيا شده است . در ح ال حاضر از اين پليمرها جهت ساخت
برف پاك كن پنجره در تحقيقات فضايي، وسايل سرگرمي، اسباب بازي و يا بازسازي دستكشها استفاده ميشود.
غشاهاي هوشمند
كنترل دروني برهم كنش هاي مولكولي تهيه غشاهاي هوشمندي را ممكن ميسازد كه ميتوانند به عنوان دروازه هاي
مولكولي عمل نمايند . با بكار بردن محرك الكتريكي ، يونها، مولكولها و ماكرومولكولهاي مشخص اجازه عبور از
ميان اين دروازه ها را ميابند كه در فرايندهاي صنعتي و محيط زيست آزمايش شده اند.
رها سازهاي كنترل شده
مولكول هاي مشخصي مانند داروها و آفت كشها ميتوانند در طول سنتز بر روي پليمر قفل شوند و م حرك
الكتريكي در مواقع لزوم سبب رهاسازي اين مولكولهاي فعال شود.مانند كينونها كه بعنوان عامل ضد مالاريا ميتوانند
ازروي پلي پيرول به اين طريق رها شوند.
حسگرها
قابليت كنترل بر هم كنش پليمر با يونهاي ساده ، مولكولها و يا حتي ماكرو مولكولها (پروتئينها) و مشاهده
سيگنالهاي الكتريكي توليد شده به هنگام بر هم كنش با گونه هاي ديگرباعث توسعه تكنولوژي و ك اربرد آنها
درسيستمهاي محيطي،صنعتي و مشاهدات پزشكي شده است .مثلا با مشاركت دي تيوك اربامات درون پلي پيرول يك
يا سرم آلبومين انساني دارد. Cu حسگر حاصل ميشود كه قابليت پاسخ انتخابي به + 2
ارتباطات زنده
ارتباط با سيستمهاي زنده مانند سلولهاي پستانداران يك هدف سهل الوصول نميباشداما پليمرهاي رسانا ميتوانند
بعنوان بستري جهت رشد سلولها بكار روند( و سپس بعنوان كانال ارتباطي جهت ارسال محرك الكتريكي و شيميايي
عمل كنند.اين تكنولوژيها قابليت كاربرد در فرايندهاي بيوتكنولوژي كوتاه مدت و بلند مدت براي بازسازي عصبي را
دارند. اين مواد ارتباطي جديد پايه اي براي سيستمهاي هوشمندي هستند كه قابليت مشاهده و عكس العمل نسبت به
محيط خود را دارند.
پانوشتها:
1. Intelligent material
2. Communicative polymers
3. Conductive electroactive polymers
4. Polymer photovoltaics
5. Indium tin oxid (ITO)
6. Display technologies
7. Electrochromics
8. Electromechanical actuators
9. Smart membranes
10. Controlled release devices
11. Sensors
منابع:
1. T.W.Lewis,Journal of Chemical Education,1997,Vol. 74,No.6,703
2. Danielle Franke (Dr. rer. nat.),2005
3. I.PETER, R.TURCU, C.BINDEA, A.BOT, STUDIA UNIVERSITATIS
BABEŞ-BOLYAI, PHYSICA, SPECIAL ISSUE, 2001
4. Worldwide electroactive polymers (EAP) Newsletter,4, 1, 2002
5. http://www.conductivepolymer.com
6. Lin-Xia wang, Xin-Gui Li, Uu-Liang Yang, Reactive&Funamental
polymer 47, 125, 2001