Полимерные проводники
Полимеры с «внешней» проводимостью порядка 10 до 20 Ом-1 см-1 - это композиционный материал с добавками порошка металлов или графита. Они используют для корпусов с функцией поглощения электромагнитного излучения для экранирования электронной аппаратуры и создания эффекта «невидимости» объектов радарами.
Эластомер с добавками металла или графита известен как квантовый туннельный композит – КТК (QTS). В недеформированном состоянии эластомер обладает высоким сопротивлением. Проводимость эластомера зависит от расстояния между проводящими частицами. При их сближении имеет место туннельный эффект. В определенном диапазоне деформаций наблюдается непрерывная зависимость проводимости от приложенной силы.
Рис. Схема датчика на основе КТК и график зависимости проводимости от приложенной силы.
Датчики на основе КТК могут использоваться для переменных резисторов, датчиков давления, измерителей веса, замыкателей, индикаторов приближения, 2D джойстиков.
Рис. Использование КТК для переключателя, датчика давления, устройства взвешивания и платы джойстика управления роботом.
Полимером, обладающим «внутренней» проводимостью, является полиацетилен. Его получают путем химической полимеризации ацетилена С2Н2. Структура полиацетилена (СН)х образована длинными цепочками атомов углерода, связанных между собой ковалентными связями. Одна из связей - двойная.
Специальная обработка, ликвидирующая двойные связи, и химическое легирование позволяет сформировать структуру, аналогичную графиту. Полимер с ковалентными связями создает матрицу, в которой есть место локализации свободных носителей заряда
Это позволяет полимерам достичь электропроводности, сравнимой с проводимостью металлов.
Электропроводность полимеров носит ионный (твердые электролиты) или электронный характер. Свободные носители заряда могут присутствовать в структуре полимера аналогично металлам (проводящие полимеры) или появляться в результате окислительно – восстановительных реакций («редокс» - полимеры). Наличие нескомпенсированного электрона создает «анион-радикал». При удалении электрона образуется «дырка» или «катион-радикал». Частично делокализованный катион-радикал стабилизируется, поляризуя окружающую среду, поэтому называется «поляроном».
Рис. Структура полярона.
Окисление молекулы полиацетилена:
[CH]n + 3x/2 I2 --> [CH]nx+ + x I3-
- приводит к появлению анионов. Восстановление ее:
[CH]n + x Na --> [CH]nx- + x Na+,
- приводит к появлению несвязанных катионов - поляронов. Высвободившийся из двойной связи электрон движется легко, следовательно, двойная связь легко перемещается вдоль молекулы. С другой стороны, позитивный заряд электростатически связан с малоподвижными ионами иода.
Полимеры, полученные электрохимическим методом на поверхности электрода, могут быть переведены из проводящего (окисленного) состояния в непроводящее (восстановленное) путем изменения потенциала электрода. При этом зарядокомпенсирующие ионы, противоположного знака, выходят из полимера в раствор электролита.
Рис. Положительный потенциал привлекает анионы из раствора, приводя к увеличению (expansion) объема полимера, а отрицательный – отталкивает анионы, уменьшая объем.
Этот эффект может быть использован для формирования «мышц» роботов.
Рис. «Искусственная мышца» создает в 100 раз большее напряжение, чем биологическая.
Деформация привода из проводящего полимера линейной конфигурации может достигать 15%. Для увеличения хода привода формируют зигзагообразную или пружинную конфигурацию. Полимерные вставки пирамидальной формы формируют радиальное движение для шагающего микротранспортного средства.
Аккумуляторные батареи с проводящим полимером более безопасны, т. к. не содержат жидкой фазы. Положительным электродом служит проводящий полимер. Отрицательный электрод изготавливается из лития или его сплавов (Li-Al). Между электродами располагается твердый полимерный электролит – например, полимерная мембрана, насыщенная солями лития. При разряде (движении электронов от отрицательного электрода к положительному) литий окисляется и переходит в электролит в виде катионов. При заряде аккумулятора от внешнего источника происходит обратный процесс. Этот принцип может быть положен в основу биобатарейки для устройств управления слуховой или визуальной информацией, восполняющей нарушенные функции.
Рис. Структура биобатарейки.
Основой биобатарейки является мембрана из нанопористого силикона. Регенерация возможна за счет метаболических процессов организма.
Микроэлектрохимический транзистор состоит из двух разнесенных на 1 мкм микроэлектродов (Au, Pt), примыкающего к ним полимера, электролита и управляющего электрода. Потенциал управляющего электрода Uу влияет на степень окисления полимера и, следовательно, на его проводимость и ток, протекающий между электродами. Ток имеет максимум при Uу = E0 (стандартный потенциал конкретной редокс - пары) и протекает только в пределах 100 мВ от максимума. Поскольку величина тока зависит от состава и концентрации электролита, то транзистор может быть использован для сенсоров. Полимеры могут служить для индикации определенных сред.
Изменение регулированием потенциала электрода уровня окисления от максимального до нулевого (восстановления) обусловливает изменение цвета с темного зеленого (оранжевого, красно – коричневого или синего в зависимости от типа полимера) на желтый. Этот оптический электрохромный эффект может быть использован для цветных дисплеев, затворных и фильтрующих оптических устройств.