Você já ouviu falar de smartphones dobráveis? Que tal a tela de televisão flexível que se enrola em uma caixa? Ou as TVs ultrafinas de "papel de parede" com apenas alguns milímetros de espessura?

Um futuro com dobrável, flexível, a eletrônica flexível e ultrafina está rapidamente se tornando nosso presente. Os materiais responsáveis ​​por esses bens de consumo são normalmente polímeros - plásticos - que conduzem eletricidade. Para entender melhor esta classe promissora de substâncias, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram uma técnica que usa luz para testar a condutividade dos materiais de forma rápida e precisa - e potencialmente revelar o comportamento que outros métodos não poderiam. Agora, a equipe do NIST demonstrou a utilidade adicional desse método baseado em luz, usando-o para descobrir o comportamento em um polímero que ninguém tinha visto antes.

Os cientistas relatam seus resultados hoje no Journal of Physical Chemistry C .

O trabalho é a mais recente contribuição do NIST para a busca de desenvolver ferramentas de medição para estudar novos materiais para uso em todos os diferentes tipos de transmissão eletrônica, de biossensores dobráveis ​​a telefones celulares e células solares.

“Há um mercado crescente para telas e smartphones flexíveis, e manter as coisas menores, mais flexível e fácil de produzir em massa, "disse Tim Magnanelli, Químico pesquisador do NIST e bolsista de pós-doutorado do National Research Council. "Simplificar o processo de teste de condutividade pode ser muito valioso para pesquisadores da indústria que querem apenas saber, "Estamos indo na direção certa com uma modificação específica? Isso torna o material melhor? '"

Plásticos que conduzem eletricidade

A maioria dos aparelhos de consumo, como laptops e até mesmo os computadores das máquinas de lavar, são baseados na tecnologia de silício. O silício é um excelente material para controlar a condução de eletricidade devido à facilidade com que os "portadores de carga" são capazes de se mover dentro de um cristal de silício. Portadores negativos são elétrons; portadores positivos são chamados de "buracos" e são lugares onde um elétron está faltando.

Embora os plásticos tenham sido estudados e amplamente usados ​​desde o século 19, plásticos condutores estão apenas começando a ser usados ​​para eletrônicos comerciais convencionais. Eles tendem a ser um pouco menos eficientes do que o silício na condução de eletricidade, o que significa que geralmente há menos movimento dos portadores de carga dentro dos materiais. Contudo, plásticos não são apenas flexíveis onde o silício é rígido, eles também são mais leves e personalizáveis ​​e, muitas vezes, mais baratos e mais fáceis de fabricar. Eles podem até ser transparentes.

A maneira típica de testar a condutividade de um material é soldar os contatos nele. Mas enquanto os contatos se ligam bem ao silício, nem sempre é possível fazer uma boa conexão com um polímero. Mesmo com uma boa conexão, ainda pode haver defeitos na superfície do material que alteram sua condutividade medida. Aplicar contatos a cada amostra também leva tempo, alongando o processo de teste e potencialmente evitando que os fabricantes usem a amostra como um componente do dispositivo.

Para resolver esses problemas, alguns anos atrás, o químico pesquisador do NIST, Ted Heilweil, projetou uma rápida, forma sem contato para medir a condutividade direcional que depende de dois tipos de luz. Primeiro, ele usa pulsos ultracurtos de luz visível para criar elétrons e buracos dentro de uma amostra. Então, ele ilumina a amostra com radiação terahertz polarizada (THz), que tem um comprimento de onda muito maior do que o olho humano pode ver, na faixa do infravermelho distante ao microondas.

Ao contrário da luz visível, A luz THz pode penetrar até mesmo em materiais opacos, como amostras de polímero relativamente espessas e semicondutores sólidos. A quantidade dessa luz que penetra na amostra depende de quantos portadores de carga estão se movendo livremente, indicando sua condutividade. Este novo método também revela se as cargas se movem mais facilmente através do material em uma direção específica.

Descobertas Surpresas

No último estudo, Heilweil e Magnanelli usam seu método THz pela primeira vez em dois polímeros condutores, escolhidos porque são polímeros simples de estudar e comparar. O primeiro, chamado PCDTPT, é relativamente novo. Uma cadeia consiste em duas moléculas diferentes conectadas de ponta a ponta e alternando como as cores de um verme viscoso. Uma molécula da cadeia é um "doador, "que absorve luz e produz portadores de carga. A outra molécula é um" aceitador, "o que atrai transportadoras de carga, induzindo-os a se moverem ao longo da cadeia e ao redor da amostra.

O segundo polímero testado neste trabalho, chamado P3HT, foi usado para comparação porque foi muito mais estudado. Ele contém apenas uma molécula repetida e tem um mais aleatório, estrutura menos ordenada que o PCDTPT. Comparado com o silício, PCDTPT produz cerca de três ordens de magnitude menos condução, e P3HT rende cerca de quatro ordens de magnitude a menos.

Heilweil e Magnanelli primeiro testaram ambas as substâncias na forma de nanofilmes - essencialmente uma amostra fina, mas sólida. Seu objetivo era contrastar as propriedades condutoras do filme PCDTPT ao examinar ao longo e ao longo dos fios.

Depois eles, suspendeu ambas as moléculas em um líquido não condutor que as impediu de interagir eletronicamente e se comunicarem entre si. Como esperado de experimentos anteriores, a solução P3HT não mostrou condutividade mensurável.

Para sua surpresa, Contudo, a solução PCDTPT mostrou condutividade. Não apenas isso, mas mostrou tanta condutividade em solução quanto na forma sólida.

"Foi fantástico, "Heilweil disse." Nunca vimos esse comportamento em qualquer outro polímero antes. "

Como as moléculas de PCDTPT estavam mais isoladas umas das outras na amostra líquida, a descoberta implica para os pesquisadores que a condutividade em PCDTPT está acontecendo dentro e ao longo de fitas de polímero individuais (ou seja, dentro de um único verme viscoso), não entre filamentos de polímero (ou seja, entre diferentes vermes de goma), ao contrário do que a maioria dos cientistas pensava anteriormente.

"Não poderíamos ter descoberto essas informações usando o convencional, método baseado em contato, "Magnanelli disse.

O físico do NIST Lee Richter e o pesquisador convidado Sebastian Engmann, quem preparou as amostras, vinha testando materiais de polímero direcional da maneira convencional, aplicando contatos. Usando o método terahertz "deu um passo adiante", permitindo que os pesquisadores "não apenas considerassem o que está acontecendo na superfície onde você colocou o contato, mas em vez disso, olhar através de toda a camada, "Magnanelli disse.

Seguindo em frente, Heilweil e Magnanelli esperam explorar as propriedades de polímeros semelhantes comercialmente disponíveis e outros obtidos por Richter. A condutividade surpresa do PCDTPT quando suspenso em um líquido "pode ​​ser a ponta do iceberg, porque talvez outro polímero também tenha uma condutividade muito melhor do que o esperado ", disse Magnanelli." O céu é o limite. "

Embora nem o PCDTPT nem o P3HT sejam particularmente úteis para dispositivos eletrônicos de consumo em grande escala, Heilweil enfatiza que fazer as perguntas certas - encontrando novas e melhores maneiras de projetar, orientar e medir as propriedades do material - pode mostrar aos pesquisadores que um material antes desinteressante pode ter um desempenho muito melhor do que qualquer um imaginava.

"A previsão pode ser que, embora ainda estejamos na infância em termos de compreensão de como esses polímeros se comportam, poderíamos chegar a um ponto em que eles são tão bons que até competem com o silício, "Heilweil disse." Isso é um tiro no escuro, mas muito possível. "