Κυριακή 12 Σεπτέμβρη 2004
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Σελίδα 7
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"
ΕΠΙΣΤΗΜΗ
ΠΛΑΣΤΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ
Ασυνήθιστα υλικά με ενδιαφέρουσες εφαρμογές

Ανθεκτικά, ελαστικά, ελαφρά και φτηνά, τα πλαστικά απόκτησαν τα τελευταία χρόνια και ένα άλλο χαρακτηριστικό: Την ικανότητα να λειτουργούν ως ημιαγωγοί, σχηματίζοντας διόδους και τρανζίστορ (κρυσταλλολυχνίες) μέσα σε πλαστικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τώρα, καθώς τα πρώτα πλαστικά ηλεκτρονικά προϊόντα άρχισαν να κυκλοφορούν στο εμπόριο (κυρίως οθόνες που χρησιμοποιούν οργανικές διόδους εκπομπής φωτός - OLED) οι ερευνητές στρέφονται προς την αξιοποίησή τους σε όλο το εύρος της τεχνολογίας της πληροφορικής.

Τα πλαστικά δε θα μπορέσουν ποτέ να ανταγωνιστούν σε ταχύτητα και μείωση μεγέθους το πυρίτιο, αλλά θα μπορέσουν, όπως φαίνεται, να φτάσουν εκεί που το πυρίτιο δεν μπορεί, όπως π.χ. σε αργές μεν, αλλά φτηνές αποθηκευτικές συσκευές μεγάλης χωρητικότητας δεδομένων, σε φτηνές οθόνες (ακόμη και μιας χρήσης!), σε ρούχα μεταβλητού χρώματος, εμφάνισης και μεγέθους των πόρων του υφάσματος (για να προσαρμόζονται στην εφίδρωση εκείνου που τα φοράει και στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος). Αλλες υπό μελέτη χρήσεις των πλαστικών ηλεκτρονικών είναι για την κατασκευή φωτοκυττάρων, χημικών αισθητήρων και υλικών ευαίσθητων στην πίεση.

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των οργανικών τρανζίστορ, σε σχέση με τα συμβατικά από πυρίτιο, είναι η ευκολία κατασκευής τους. Η κατασκευή ενός τελευταίας τεχνολογίας ολοκληρωμένου κυκλώματος από πυρίτιο απαιτεί βδομάδες δουλιάς, χρησιμοποιώντας πολύπλοκες και ακριβές διεργασίες, όπως η φωτολιθογραφία και η εναπόθεση σε συνθήκες κενού, που πραγματοποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες και εξαιρετικά καθαρές αίθουσες. Συγκριτικά, τα οργανικά τρανζίστορ μπορούν να κατασκευαστούν πιο γρήγορα, με φτηνότερες διεργασίες που δεν απαιτούν ένα τόσο ελεγχόμενο περιβάλλον. Επιπλέον, υπάρχει το ενδεχόμενο να γίνει εφικτή η κατασκευή τους με μεθόδους ανάλογες με εκείνες της τυπογραφίας όφσετ, που αποτέλεσε τεχνολογική επανάσταση στον τομέα των εκδόσεων.

Το ηλεκτρονικό «χαρτί» δεν είναι η μόνη εφαρμογή των πολυμερών ημιαγωγών. Το εικονιζόμενο κατασκευάστηκε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από υγρό διάλυμα. Τα τρανζίστορ που περιέχει λειτουργούν (αλλάζουν κατάσταση) αρκετά γρήγορα, ώστε να μπορούν να δείχνουν κινούμενη εικόνα (βίντεο)
Το ηλεκτρονικό «χαρτί» δεν είναι η μόνη εφαρμογή των πολυμερών ημιαγωγών. Το εικονιζόμενο κατασκευάστηκε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από υγρό διάλυμα. Τα τρανζίστορ που περιέχει λειτουργούν (αλλάζουν κατάσταση) αρκετά γρήγορα, ώστε να μπορούν να δείχνουν κινούμενη εικόνα (βίντεο)
Τα αγώγιμα πλαστικά ηλεκτρονικά είναι δύο ειδών. Το ένα είδος κατασκευάζεται από μικρά οργανικά μόρια και το άλλο από μακριά πολυμερή μόρια. Ενα παράδειγμα του πρώτου είδους είναι το πεντακένιο, που το μόριό του αποτελείται από 5 βενζολικούς δακτυλίους ενωμένους σε ευθεία γραμμή. Τα μακριά πολυμερή αποτελούνται από αλυσίδες εκατοντάδων ή χιλιάδων ατόμων άνθρακα. Μερικά από τα ηλεκτρόνια των διπλών δεσμών μεταξύ των ατόμων άνθρακα είναι μοιρασμένα ανάμεσα σε περισσότερα άτομα αντί να σχηματίζουν ένα συγκεκριμένο δεσμό μεταξύ δύο ατόμων. Αυτά τα μη τοπικά ηλεκτρόνια μπορούν να έχουν μόνο μερικές συγκεκριμένες ενεργειακές καταστάσεις. Οι επιτρεπόμενες ενέργειες σχηματίζουν ζώνες που μπορούν να δεχτούν περιορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων. Η υψηλότερη ενεργειακή ζώνη που περιέχει ηλεκτρόνια λέγεται ζώνη σθένους, ενώ η αμέσως υψηλότερη λέγεται ζώνη αγωγιμότητας.

Οι ουσίες με μικρά μόρια, όπως το πεντακένιο, είναι αγώγιμες στην καθαρή τους μορφή και μπορούν να σχηματίσουν κρυστάλλους ή μεμβράνες για χρήση σε συσκευές. Αντίθετα, τα μακριά πολυμερή, είναι γενικά κακοί αγωγοί στην καθαρή τους μορφή. Ο λόγος είναι ότι η ζώνη σθένους τους είναι γεμάτη ηλεκτρόνια, που εμποδίζουν τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Καθένα απ' αυτά τα ηλεκτρόνια δεν έχει πού να πάει (δεν υπάρχουν ελεύθερες ενεργειακές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να μεταπηδήσει). Οι κενές περιοχές στη ζώνη αγωγιμότητας βρίσκονται πολύ ψηλά από ενεργειακής πλευράς για να μπορέσουν να τις φτάσουν τα ηλεκτρόνια σθένους.

Ενα ευαίσθητο στην πίεση «δέρμα» θα μπορούσε να προσφέρει στα ρομπότ κάποιο είδος αφής. Αυτό που φαίνεται στη φωτογραφία αναπτύχθηκε από Ιάπωνες ερευνητές και διαθέτει αισθητήρες τετράγωνου σχήματος με πλευρά 3 χιλιοστών. Οι μεμονωμένοι αισθητήρες μπορούν να σχηματίσουν σειρές, ώστε να καλύψουν μεγαλύτερες επιφάνειες απλώς συγκολλώντας τους με τα ηλεκτρόδια στοιχισμένα
Ενα ευαίσθητο στην πίεση «δέρμα» θα μπορούσε να προσφέρει στα ρομπότ κάποιο είδος αφής. Αυτό που φαίνεται στη φωτογραφία αναπτύχθηκε από Ιάπωνες ερευνητές και διαθέτει αισθητήρες τετράγωνου σχήματος με πλευρά 3 χιλιοστών. Οι μεμονωμένοι αισθητήρες μπορούν να σχηματίσουν σειρές, ώστε να καλύψουν μεγαλύτερες επιφάνειες απλώς συγκολλώντας τους με τα ηλεκτρόδια στοιχισμένα
Για να αλλάξει αυτή η κατάσταση, οι ερευνητές εισάγουν στο πολυμερές άτομα στοιχείων με κατάλληλα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά, μια διαδικασία που ονομάζεται πρόσμειξη (doping). Τα άτομα πρόσμειξης είτε προσθέτουν επιπλέον ηλεκτρόνια, που πηγαίνουν στη ζώνη αγωγιμότητας του πολυμερούς (αφού η ζώνη σθένους είναι πλήρης), είτε αφαιρούν ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους, δημιουργώντας οπές, που συμπεριφέρονται σαν θετικά σωματίδια. Και στη μια και στην άλλη περίπτωση, το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να κινηθεί μέσα στο υλικό, είτε μέσω των ηλεκτρονίων της ζώνης αγωγιμότητας που είναι σαν σχεδόν άδεια λεωφόρος, είτε μέσω της μετακίνησης των οπών στη ζώνη σθένους (από τη σκοπιά της οπής, η ζώνη σθένους είναι σχεδόν άδεια: κάθε ηλεκτρόνιο που βρίσκεται εκεί αντιστοιχεί με μια θέση στην οποία μπορεί να μετακινηθεί η οπή).

Η δυνατότητα πρόσμειξης των μακρών πολυμερών με αυτό τον τρόπο για την παρασκευή ημιαγωγών ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 1970, από τους Χίγκερ, Μακντίαρμιντ και Σιρακάβα, που πήραν το 2000 το βραβείο Νόμπελ ακριβώς γι' αυτή τους την ανακάλυψη. Οι τρεις ερευνητές είχαν χρησιμοποιήσει σαν ουσία πρόσμειξης το χλώριο, το βρώμιο και το ιώδιο. Τα αγώγιμα πλαστικά του είδους αυτού έχουν ήδη βρει εφαρμογές και πέρα από τα ηλεκτρονικά κυκλώματα, σαν αντιδιαβρωτικά, σαν ηλεκτρομαγνητικές ασπίδες για ηλεκτρονικά κυκλώματα, σαν αντιστατικά επιστρώματα σε φωτογραφικά φιλμ, αλλά και σαν επιστρώματα που απορροφούν τα μικροκύματα για απόκρυψη στρατιωτικών στόχων από τα ραντάρ του αντιπάλου.


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»


Κορυφή σελίδας

Διαβάστε στο «Ρ»

Ο καιρός
Weather data from openweathermap.org