กฎเกณฑ์-ซิลิโคนสีสันสดใสที่แตกหักซึ่งสามารถนำไฟฟ้าได้

ตัวแปรซิลิโคนที่เพิ่งค้นพบคือเซมิคอนดักเตอร์ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนได้ค้นพบ-ข้อสันนิษฐานที่กำลังเพิ่มขึ้นว่าชั้นวัสดุนั้นเป็นฉนวนเพียงอย่างเดียว

"วัสดุดังกล่าวเปิดโอกาสให้กับจอแบนประเภทใหม่ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ยืดหยุ่น เซ็นเซอร์ที่สวมใส่ได้ หรือแม้แต่เสื้อผ้าที่สามารถแสดงรูปแบบหรือภาพที่แตกต่างกัน" Richard Laine ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมระดับมหภาคของ U{0}} และเป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้องของการศึกษาวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ใน Macromolecular Rapid Communications กล่าว

น้ำมันและยางซิลิโคน-โพลิไซลอกเซนและซิลเซสควิออกเซน-โดยพื้นฐานแล้วเป็นวัสดุฉนวน ซึ่งหมายความว่าพวกมันต้านทานการไหลของไฟฟ้าหรือความร้อน คุณสมบัติกันน้ำ-ทำให้มีประโยชน์ในอุปกรณ์ชีวการแพทย์ สารเคลือบหลุมร่องฟัน สารเคลือบอิเล็กทรอนิกส์ และอื่นๆ

ในขณะเดียวกันเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปมักมีความแข็ง ซิลิโคนสารกึ่งตัวนำมีศักยภาพในการช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นตามที่ Laine อธิบายได้ เช่นเดียวกับซิลิโคนที่มีหลายสี

ในระดับโมเลกุล ซิลิโคนประกอบด้วยกระดูกสันหลังของอะตอมของซิลิคอนและออกซิเจน (Si-O-Si) ที่สลับกัน โดยมีหมู่อินทรีย์ (คาร์บอน-) ติดอยู่กับซิลิคอน สายพอลิเมอร์ที่ก่อตัวเป็น 3 มิติต่างๆ เกิดขึ้นเมื่อเชื่อมต่อกัน ซึ่งเรียกว่าการเชื่อมโยงข้าม- ซึ่งจะเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุ เช่น ความแข็งแรงหรือความสามารถในการละลาย

ขณะศึกษา-โครงสร้างการเชื่อมโยงข้ามต่างๆ ในซิลิโคน ทีมวิจัยได้สะดุดกับศักยภาพของการนำไฟฟ้าในโคโพลีเมอร์ ซึ่งเป็นสายโซ่โพลีเมอร์ที่ประกอบด้วยหน่วย-โครงสร้างกรง-ซ้ำๆ สองประเภทที่แตกต่างกัน และจากนั้นก็เป็นซิลิโคนเชิงเส้นในกรณีนี้

ความเป็นไปได้ที่จะนำไฟฟ้าเกิดขึ้นจากวิธีที่อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านพันธะ Si-O-Si ที่มีออร์บิทัลทับซ้อนกัน เซมิคอนดักเตอร์มีสองสถานะหลัก: สถานะกราวด์ซึ่งไม่นำไฟฟ้า และสถานะนำซึ่งนำไฟฟ้า สถานะการนำไฟฟ้าหรือที่เรียกว่าสถานะตื่นเต้น เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนบางตัวกระโดดขึ้นไปที่วงโคจรของอิเล็กตรอนถัดไป ซึ่งเชื่อมต่อผ่านวัสดุเหมือนโลหะ

โดยทั่วไป มุมพันธะ Si-O- ไม่อนุญาตให้มีการเชื่อมต่อดังกล่าว ที่มุม 110 องศา จะเป็นทางยาวจากเส้นตรง 180 องศา แต่ในซิลิโคนโคโพลีเมอร์ที่ทีมงานค้นพบ พันธะเหล่านี้เริ่มต้นที่ 140 องศาในสถานะพื้นดิน-และยืดออกไปถึง 150 องศาในสถานะตื่นเต้น แค่นี้ก็เพียงพอที่จะสร้างทางหลวงเพื่อให้ประจุไฟฟ้าไหลได้

"สิ่งนี้ทำให้เกิดอันตรกิริยาที่ไม่คาดคิดระหว่างอิเล็กตรอนบนพันธะหลายตัว รวมถึงพันธะ Si-O-Si ในโคโพลีเมอร์เหล่านี้ด้วย" Laine กล่าว “ยิ่งโซ่ยาวเท่าไร อิเล็กตรอนก็จะเดินทางในระยะทางไกลได้ง่ายขึ้นเท่านั้น ลดพลังงานที่จำเป็นในการดูดซับแสงแล้วปล่อยออกมาด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า”

คุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ของโคโพลีเมอร์ซิลิโคนยังช่วยให้สเปกตรัมสีของมันได้อีกด้วย อิเล็กตรอนกระโดดไปมาระหว่างพื้นดินและสภาวะตื่นเต้นโดยการดูดซับและปล่อยโฟตอนหรืออนุภาคของแสง การเปล่งแสงขึ้นอยู่กับความยาวของสายโซ่โคโพลีเมอร์ ซึ่งทีมงานของ Laine สามารถควบคุมได้ ความยาวของโซ่ที่ยาวขึ้นหมายถึงการกระโดดที่น้อยลงและโฟตอนที่พลังงานลดลง ทำให้ซิลิโคนมีสีแดง โซ่ที่สั้นกว่านั้นต้องการการกระโดดที่มากขึ้นจากอิเล็กตรอน ดังนั้นพวกมันจึงปล่อยแสงพลังงานที่สูงขึ้นไปยังปลายสีน้ำเงินของสเปกตรัม

เพื่อแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างความยาวของโซ่กับการดูดกลืนแสงและการปล่อยแสง นักวิจัยได้แยกโคโพลีเมอร์ที่มีความยาวโซ่ต่างกันและจัดเรียงไว้ในหลอดทดลองจากยาวไปสั้น การฉายแสงยูวีบนหลอดจะทำให้เกิดรุ้งเต็มเมื่อแต่ละหลอดดูดซับและปล่อยแสงด้วยพลังงานที่แตกต่างกัน

อาร์เรย์ที่มีสีสันตามความยาวสายโซ่โคโพลีเมอร์มีเอกลักษณ์เฉพาะเป็นพิเศษ เนื่องจากจนถึงจุดนี้ ซิลิโคนเป็นที่รู้กันว่ามีความโปร่งใสหรือสีขาวเท่านั้น เนื่องจากคุณสมบัติเป็นฉนวนทำให้ไม่สามารถดูดซับแสงได้มากนัก

"เรากำลังนำวัสดุที่ทุกคนคิดว่าไม่ต้องใช้ไฟฟ้าและมอบชีวิตใหม่-ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นรุ่นต่อไปได้" Zijing (Jackie) Zhang นักศึกษาระดับปริญญาเอก-M สาขาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ และเป็นผู้เขียนหลักของการศึกษาวิจัยนี้