قاعدة-السيليكون الملون الذي يمكنه توصيل الكهرباء

إن أحد أشكال السيليكون التي تم اكتشافها حديثًا هو أحد أشباه الموصلات، وقد اكتشف باحثون من جامعة ميشيغان-افتراضات مقلقة مفادها أن فئة المادة عازلة حصريًا.

قال ريتشارد لين، أستاذ علوم وهندسة المواد وعلوم وهندسة الجزيئات الكبيرة والمؤلف المقابل للدراسة التي نُشرت مؤخرًا في Macromolecular Rapid Communications، "إن هذه المادة تفتح الفرصة أمام أنواع جديدة من شاشات العرض المسطحة، أو الخلايا الكهروضوئية المرنة، أو أجهزة الاستشعار التي يمكن ارتداؤها أو حتى الملابس التي يمكنها عرض أنماط أو صور مختلفة".

تعتبر زيوت ومطاط السيليكون-بولي سيلوكسان وسيلسيسكويوكسان-مواد عازلة تقليديًا، مما يعني أنها تقاوم تدفق الكهرباء أو الحرارة. خصائصها المقاومة للماء- تجعلها مفيدة في الأجهزة الطبية الحيوية، والمواد المانعة للتسرب، والطلاءات الإلكترونية والمزيد.

وفي الوقت نفسه، تكون أشباه الموصلات التقليدية عادةً جامدة. يتمتع السيليكون شبه الموصل بالقدرة على تمكين الإلكترونيات المرنة التي وصفها Laine بالإضافة إلى السيليكون الذي يأتي في مجموعة متنوعة من الألوان.

على المستوى الجزيئي، تتكون السيليكونات من عمود فقري من ذرات السيليكون والأكسجين المتناوبة (Si-O-Si) مع مجموعات عضوية (قائمة على الكربون-) مرتبطة بالسيليكون. تنشأ تشكيلات ثلاثية الأبعاد مختلفة لسلاسل البوليمر عند اتصالها ببعضها البعض، والمعروفة باسم الارتباط المتقاطع-، والذي يغير الخصائص الفيزيائية للمادة مثل القوة أو الذوبان.

أثناء دراسة هياكل الارتباط المتقاطع المختلفة في السيليكون، عثر فريق البحث على إمكانية التوصيل الكهربائي في البوليمر المشترك، وهو عبارة عن سلسلة بوليمر تحتوي على نوعين مختلفين من الوحدات المتكررة-القفص- المهيكلة ثم السيليكون الخطي في هذه الحالة.

تنشأ إمكانية التوصيل من الطريقة التي يمكن أن تتحرك بها الإلكترونات عبر روابط Si-O-Si ذات المدارات المتداخلة. لأشباه الموصلات حالتان رئيسيتان: الحالة الأرضية، التي لا توصل الكهرباء، والحالة الموصلة، والتي تقوم بذلك. تحدث الحالة الموصلة، والمعروفة أيضًا بالحالة المثارة، عندما تقفز بعض الإلكترونات إلى مدار الإلكترون التالي، والذي يكون متصلاً عبر المادة مثل المعدن.

عادةً، لا تسمح زوايا رابطة Si-O-Si بهذا الاتصال. عند 110 درجة، هم بعيدون عن خط مستقيم 180 درجة. ولكن في بوليمر السيليكون الذي اكتشفه الفريق، بدأت هذه الروابط عند 140 درجة في الحالة الأرضية-وتمتد إلى 150 درجة في الحالة المثارة. كان هذا كافياً لإنشاء طريق سريع لتدفق الشحنات الكهربائية.

وقال لين: "يسمح هذا بتفاعل غير متوقع بين الإلكترونات عبر روابط متعددة بما في ذلك روابط Si-O-Si في هذه البوليمرات المشتركة". "كلما زاد طول السلسلة، أصبح من الأسهل على الإلكترونات أن تنتقل لمسافات أطول، مما يقلل الطاقة اللازمة لامتصاص الضوء ثم بعثه عند طاقات أقل."

كما أن خصائص أشباه الموصلات لبوليمرات السيليكون تمكّن أيضًا من الحصول على طيف من الألوان. تقفز الإلكترونات بين الحالة الأرضية والحالة المثارة عن طريق امتصاص وإصدار الفوتونات أو جسيمات الضوء. يعتمد انبعاث الضوء على طول سلسلة البوليمر المشترك، والتي يستطيع فريق لين التحكم بها. أطوال السلسلة الأطول تعني قفزات أصغر وفوتونات طاقة أقل، مما يعطي السيليكون صبغة حمراء. تتطلب السلاسل الأقصر قفزات أكبر من الإلكترونات، لذا فهي تبعث ضوءًا ذا طاقة أعلى باتجاه الطرف الأزرق من الطيف.

ولإثبات العلاقة بين طول السلسلة وامتصاص الضوء وانبعاثه، قام الباحثون بفصل البوليمرات المشتركة ذات أطوال سلاسل مختلفة وترتيبها في أنابيب اختبار من الطويلة إلى القصيرة. يؤدي تسليط ضوء الأشعة فوق البنفسجية على الأنابيب إلى إنشاء قوس قزح كامل حيث يمتص كل منها الضوء ويصدره بطاقات مختلفة.

تعتبر المجموعة الملونة المعتمدة على طول سلسلة البوليمر المشترك فريدة من نوعها بشكل خاص لأنه حتى هذه اللحظة، لم يكن من المعروف أن السيليكون سوى شفاف أو أبيض لأن خصائصه العازلة تجعله غير قادر على امتصاص الكثير من الضوء.

قال زيجينغ (جاكي) تشانغ، طالب دكتوراه في جامعة -الماجستير في علوم وهندسة المواد والمؤلف الرئيسي للدراسة: "إننا نأخذ مادة يعتقد الجميع أنها خاملة كهربائيًا ونمنحها حياة جديدة-يمكنها تشغيل الجيل التالي من الإلكترونيات الناعمة والمرنة".