La nuova variante colorata in silicone ha proprietà semiconduttrici / Colorful New Silicone Variant Has Semiconductor Properties
La nuova variante colorata in silicone ha proprietà semiconduttrici / Colorful New Silicone Variant Has Semiconductor Properties
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I ricercatori dell'Università del Michigan hanno scoperto che una variante di silicone di recente scoperta è un semiconduttore, ribaltando l'ipotesi secondo cui questa classe di materiali sia esclusivamente isolante.
"Il materiale apre la strada a nuovi tipi di display a schermo piatto, pannelli fotovoltaici flessibili, sensori indossabili o persino indumenti in grado di visualizzare modelli od immagini diversi", ha affermato Richard Laine, professore di scienza e ingegneria dei materiali e di scienza ed ingegneria macromolecolare presso l'UM ed autore corrispondente dello studio pubblicato di recente in Macromolecular Rapid Communications.
Gli oli e le gomme siliconiche – polisilossani e silsesquiossani – sono tradizionalmente materiali isolanti, ovvero resistono al flusso di elettricità o calore. Le loro proprietà idrorepellenti li rendono utili in dispositivi biomedici, sigillanti, rivestimenti elettronici ed altro ancora.
Nel frattempo, i semiconduttori convenzionali sono tipicamente rigidi. Il silicone semiconduttore ha il potenziale per realizzare 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 principale di atomi di silicio e ossigeno alternati (Si—O—Si) con gruppi organici (a base di carbonio) legati al silicio. Quando si legano tra loro, si formano diverse formazioni tridimensionali di catene polimeriche, note come reticolazione, che alterano le proprietà fisiche del materiale come la resistenza o la solubilità.
Durante lo studio di diverse strutture di reticolazione nel silicone, il gruppo di ricerca si è imbattuto nel potenziale di conduttività elettrica in un copolimero, ovvero una catena polimerica contenente due diversi tipi di unità ripetute: in questo caso, siliconi con struttura a gabbia e poi lineari.
La possibilità di 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 elettricità, e uno stato conduttore, che invece lo fa. Lo stato conduttore, noto anche come stato eccitato, si verifica quando alcuni elettroni saltano all'orbitale elettronico successivo, che è connesso attraverso il materiale come un metallo.
In genere, gli angoli di legame Si—O—Si non consentono questa connessione. A 110°, sono ben lontani da una linea retta di 180°. Ma nel copolimero siliconico scoperto dal gruppo, questi legami partivano da 140° nello stato fondamentale e si estendevano fino a 150° nello stato eccitato. Questo era sufficiente a creare un'autostrada per il flusso di carica elettrica.
"Questo consente un'interazione inaspettata tra gli elettroni attraverso molteplici 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 poi emetterla ad energie inferiori."
Le proprietà semiconduttive dei copolimeri siliconici ne determinano anche lo spettro cromatico. Gli elettroni passano dallo stato fondamentale a quello eccitato assorbendo ed emettendo fotoni, o particelle di luce. L'emissione luminosa dipende dalla lunghezza della catena del copolimero, che il gruppo di Laine può controllare. Catene più lunghe comportano salti più piccoli e fotoni a bassa energia, conferendo al silicone una tonalità rossastra. Catene più corte richiedono salti più grandi da parte degli elettroni, quindi emettono luce ad alta energia verso l'estremità blu dello spettro.
Per dimostrare la correlazione tra lunghezza della catena ed assorbimento ed emissione di luce, i ricercatori hanno separato copolimeri con diverse lunghezze di catena e li hanno disposti in provette, da lunghe a corte. Illuminando le provette con una luce UV, si crea un arcobaleno completo, poiché ciascuna assorbe ed emette luce ad 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 rendevano incapaci di assorbire molta luce.
"Stiamo prendendo un materiale che tutti pensavano fosse elettricamente inerte e gli stiamo dando una nuova vita, una vita che potrebbe alimentare la prossima generazione di dispositivi elettronici morbidi e flessibili", ha affermato Zijing (Jackie) Zhang, studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Michigan ed autore principale dello studio.
ENGLISH
The discovery of a semiconducting silicone has dispelled previous assumptions that all silicones must be electrical insulators.
A newly discovered silicone variant is a semiconductor, University of Michigan researchers have discovered—upending assumptions that the material class is exclusively insulating.
“The material opens up the opportunity for new types of flat panel displays, flexible photovoltaics, wearable sensors or even clothing that can display different patterns or images,” said Richard Laine, U-M professor of materials science and engineering and macromolecular science and engineering and corresponding author of the study recently published in Macromolecular Rapid Communications.
Silicone oils and rubbers—polysiloxanes and silsesquioxanes—are traditionally insulating materials, meaning they resist the flow of electricity or heat. Their water-resistant properties make them useful in biomedical devices, sealants, electronic coatings and more.
Meanwhile, conventional semiconductors are typically rigid. Semiconducting silicone has the potential to enable the flexible electronics Laine described as well as silicone that comes in a variety of colors.
On a molecular level, silicones are made up of a backbone of alternating silicon and oxygen atoms (Si—O—Si) with organic (carbon-based) groups attached to the silicon. Various 3D formations of polymer chains arise as they connect to one another, known as cross-linking, which alter the material’s physical properties like strength or solubility.
While studying different cross-linking structures in silicone, the research team stumbled upon the potential for electrical conductivity in a copolymer, which is a polymer chain containing two different types of repeating units—cage-structured and then linear silicones in this case.
The possibility for conductivity arises from the way electrons can move across Si—O—Si bonds with overlapping orbitals. Semiconductors have two main states: the ground state, which doesn’t conduct electricity, and a conducting state, which does. The conducting state, also known as an excited state, occurs when some electrons jump up to the next electron orbital, which is connected across the material like a metal.
Typically, Si—O—Si bond angles don’t allow for that connection. At 110°, they are a long way from a 180° straight line. But in the silicone copolymer the team discovered, these bonds started out at 140° in the ground state—and they stretch to 150° in the excited state. This was enough to create a highway for electrical charge to flow.
“This allows an unexpected interaction between electrons across multiple bonds including Si—O—Si bonds in these copolymers,” Laine said. “The longer the chain length, the easier it is for electrons to travel longer distances, reducing the energy needed to absorb light and then emit it at lower energies.”
The semiconducting properties of the silicone copolymers also enable its spectrum of colors. Electrons jump between the ground and excited states by absorbing and emitting photons, or particles of light. The light emission depends on the length of the copolymer chain, which Laine’s team can control. Longer chain lengths mean smaller jumps and lower energy photons, giving the silicone a red tint. Shorter chains require bigger jumps from the electrons, so they emit higher energy light toward the blue end of the spectrum.
To demonstrate the connection between chain length and light absorption and emission, the researchers separated copolymers with different chain lengths and arranged them in test tubes from long to short. Shining a UV light on the tubes creates a full rainbow as each absorbs and emits the light at different energies.
The colorful array based on copolymer chain length is particularly unique because up to this point, silicones have only been known to be transparent or white because their insulating properties make them unable to absorb much light.
“We’re taking a material everyone thought was electrically inert and giving it a new life—one that could power the next generation of soft, flexible electronics,” said Zijing (Jackie) Zhang, U-M doctoral student of materials science and engineering and lead author of the study.
Da:
https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/colorful-new-silicone-variant-has-semiconductor-properties-400114
Commenti
Posta un commento