פלסטיק שקוף, מוליך זרם ובר-הדפסה

צוות כימאים ומהנדסים מהמכון הטכנולוגי של ג’ורג’יה הצליח לפתח פולימר המסוגל להוליך חשמל ביעילות גבוהה בעודו גמיש, שקוף וקל לשימוש בקנה מידה תעשייתי

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

צוות כימאים ומהנדסים מהמכון הטכנולוגי של ג’ורג’יה (Georgia Institute of Technology) הצליח לפתח פולימר המסוגל להוליך חשמל ביעילות גבוהה בעודו גמיש, שקוף וקל לשימוש בקנה מידה תעשייתי.

החוקרים הצליחו לייצר את הפולימר החדשני והחשוב הזה פשוט על ידי הרחקה של החומר הלא-מוליך משאר החומר המוליך. התהליך המתקבל יוכל להוליד סוגים חדשים של התקנים אלקטרוניים גמישים ושקופים, כגון ביו-גלאים לבישים, תאים פוטו-וולטאיים אורגניים וכן מסכים ומשקפיים המבוססים על מציאות מדומה.

“הרעיון המקורי שלנו היה לקחת רכיב מוליך שאותו ציפינו בחומר לא מוליך, ואז חשבנו למה שלא פשוט ניפטר ממנו ונישאר עם הרכיב המוליך בלבד”, אמר החוקר הראשי. “זהו רעיון פשוט, ולמרות זאת היו בו הרבה נקודות שפשוט יכולנו להיכשל בהן בשל סיבות רבות. אולם, גילינו שהוא ממש עובד, ואפילו טוב יותר ממה שציפינו”. על מנת לגרום לרצועת פלסטיק להוליך זרם חשמלי, כימאים מתחילים עם שלד פולימרי ידוע – במקרה זה פולימר נפוץ הקרוי בשם PEDOT המשמש בתעשייה ביישומים מסוימים. הפולימר הזה מצוין עבור הולכת חשמל, אולם קשה להשתמש בצורתו המקורית לאור העובדה כי הוא אינו מסיס. יחד עם זאת, כאשר מוסיפים שרשראות צד לפולימר הזה, ניתן להמיס אותו ולהשתמש בו ביישומים של דיו להדפסה או צבע בתרסיס. שינוי זה הופך את הפולימר לקל לשימוש וליישום. לרוע המזל, שרשראות צד אלו הן בעיקרן חומר דמוי שעווה שאינו מוליך חשמל. “אם חושבים על מוליכות חשמלית, דמיינו תיל של נחושת; הוא יפה ומוליך. ואז אם מצפים אותו בשעווה, הוא לא כל כך מוליך, יש בתוכו מחסום מסוים”, אמר החוקר הראשי. “הרעיון שלנו היה כזה – אנו מעוניינים בנוכחותן של שרשראות הצד הללו במהלך התהליך, אך לא בתוצר הסופי. כך שהוספנו שרשראות צד שברגע שסיימנו עם התהליך ניתן להרחיק אותן בקלות”. במילים אחרות, החוקרים יצרו פולימר עם שרשראות צד שניתן להשתמש בו לשם הדפסה או ריסוס, לנתק כימית את שרשראות הצד ולשטוף אותן החוצה בעזרת ממסים תעשייתיים נפוצים. לאחר שלב סופי של המרה, התוצאה היא פולימר גמיש ומוליך מעולה, יציב ובלתי חדיר למים או לממסים אחרים. צוות המחקר ניצל ידע ממגוון תחומי מדע כגון: הנדסה מכאנית, כימיה, ביוכימיה, מדעי החומרים והנדסה. ממצאי המחקר פורסמו השנה במסגרת מאמרים בשני כתבי עת בתחום הכימיה, Journal of the American Chemical Society וכן Angewandte Chemie.

“רעיון זה שחשבנו בו על שיטה להכנת פולימר עם מוליכות של יותר מאלף מקטעים לכל ס”מ, המסוגל להיות מיוצר תוך שימוש בשיטות הדפסה תעשייתיות פשוטות וממסים נפוצים, ובנוסף להיותו מוליך חשמל, גם שקוף מבחינה אופטית, זה פשוט כל כך מרגש עבורי,” אמר John Reynolds, פרופסור בביה”ס לכימיה וביוכימיה ואחד מהכותבים של שני המאמרים. צוות המחקר כבר זוכה לתשומת לב רבה בזכות החומר החדשני שלו, שאותו הם מכנים PEDOT(OH), ואשר עליו הוגשה בקשה לפטנט. החוקרים גם נפגשים עם שותפים מהתעשייה המעוניינים לקבל רישיון על הטכנולוגיה החדשה בזכות מספר יתרונות של הפולימר.

אחד מהחומרים המוליכים השקופים הנפוצים ביותר בתחום הייצור של מסכים שטוחים, התקנים פוטו-וולטאים, חלונות חכמים ויישומים אחרים, הוא תחמוצת בדיל אינדיום (indium tin oxide). יחד עם זאת, לחומר זה יש מספר חסרונות. “די קשה ליצור התקנים עקמומיים וגמישים תוך שימוש בחומר תחמוצת בדיל אינדיום מאחר וחומר זה שביר ונוטה להיסדק”, אמר החוקר. “הפולימרים הללו שיצרנו הם גמישים מכאנית. קיים תחום שלם הקרוי בשם ‘ביו רכיבים אלקטרוניים’ (bioelectronics), שבמסגרתו אנשים ממקמים התקנים חשמליים על גבי העור ובתור התקנים הניתנים להשתלה, תחום שבו גמישות מכאנית חשובה ביותר.

“אחת מהתועלות הממשיות ברעיון שלנו טמונה בכך שיש לחוקר בקרה גדולה באשר לעיבוד החומר”, אמר החוקר הראשי. “מבחינה תעשייתית, התועלת הגדולה ביותר בתחום היא שאם תרצה שכבה בעובי של עשרים ננומטרים, תוכל לייצר אותה בקלות; ואם תרצה שכבה בעובי של מיקרון אחד, תוכל לייצר גם אותה בקלות; יש לך ממש הרבה יותר בקרה”. לב הרעיון של החוקרים הוא בעצם שילוב של הסוג המתאים של שלד פולימר עם הסוג המתאים של קשר בר-פירוק עבור היישום הנדרש, מוליכות חשמלית גבוהה במקרה זה, אמר החוקר הראשי.

הידיעה אודות המחקר 

תקציר המאמר

עוד בנושא באתר הידען:

• פלסטיק המסוגל להוליך חשמל
• חוקרים מאוניברסיטת תל אביב פיתחו מוליך גלים מסוג חדש
• המדידה הראשונה של זרם חשמלי בתיל מולקולארי
• ללמוד מהפרפרים על שקיפות מלאה