Uma regra-de silicone colorido e quebradiço que pode conduzir eletricidade

Uma variante de silicone recém-descoberta é um semicondutor. Pesquisadores da Universidade de Michigan descobriram-suposições contrárias de que a classe do material é exclusivamente isolante.

"O material abre a oportunidade para novos tipos de telas planas, energia fotovoltaica flexível, sensores vestíveis ou até mesmo roupas que podem exibir diferentes padrões ou imagens", disse Richard Laine, professor de ciência e engenharia de materiais e ciência e engenharia macromolecular da U-M e autor correspondente do estudo publicado recentemente na Macromolecular Rapid Communications.

Óleos e borrachas de silicone-polissiloxanos e silsesquioxanos-são tradicionalmente materiais isolantes, o que significa que resistem ao fluxo de eletricidade ou calor. Suas propriedades-de resistência à água os tornam úteis em dispositivos biomédicos, selantes, revestimentos eletrônicos e muito mais.

Enquanto isso, os semicondutores convencionais são normalmente rígidos. O silicone semicondutor tem o potencial de permitir a eletrônica flexível descrita por Laine, bem como o silicone que vem em uma variedade de cores.

Em nível molecular, os silicones são compostos de uma estrutura de átomos alternados de silício e oxigênio (Si-O-Si) com grupos orgânicos (à base de carbono-) ligados ao silício. Várias formações 3D de cadeias poliméricas surgem à medida que elas se conectam umas às outras, conhecidas como ligações-cruzadas, que alteram as propriedades físicas do material, como resistência ou solubilidade.

Ao estudar diferentes estruturas-de reticulação em silicone, a equipe de pesquisa se deparou com o potencial de condutividade elétrica em um copolímero, que é uma cadeia de polímero contendo dois tipos diferentes de unidades repetidas -estruturadas em gaiola-e, neste caso, silicones lineares.

A possibilidade de condutividade surge da maneira como os elétrons podem se mover através de ligações Si-O-Si com orbitais sobrepostos. Os semicondutores têm dois estados principais: o estado fundamental, que não conduz eletricidade, e um estado condutor, que o faz. O estado condutor, também conhecido como estado excitado, ocorre quando alguns elétrons saltam para o próximo orbital de elétrons, que está conectado através do material como um metal.

Normalmente, os ângulos de ligação Si-O-Si não permitem essa conexão. A 110 graus, eles estão muito longe de uma linha reta de 180 graus. Mas no copolímero de silicone descoberto pela equipe, essas ligações começaram em 140 graus no estado fundamental-e se estendem até 150 graus no estado excitado. Isso foi suficiente para criar uma rodovia para o fluxo de carga elétrica.

"Isso permite uma interação inesperada entre elétrons através de múltiplas ligações, incluindo ligações Si-O-Si nesses copolímeros", disse Laine. "Quanto maior o comprimento da cadeia, mais fácil será para os elétrons percorrerem distâncias maiores, reduzindo a energia necessária para absorver a luz e depois emiti-la em energias mais baixas."

As propriedades semicondutoras dos copolímeros de silicone também possibilitam seu espectro de cores. Os elétrons saltam entre os estados fundamental e excitado, absorvendo e emitindo fótons, ou partículas de luz. A emissão de luz depende do comprimento da cadeia do copolímero, que a equipe de Laine consegue controlar. Comprimentos de cadeia mais longos significam saltos menores e fótons de menor energia, dando ao silicone uma tonalidade vermelha. Cadeias mais curtas exigem saltos maiores dos elétrons, de modo que emitem luz de maior energia em direção à extremidade azul do espectro.

Para demonstrar a ligação entre o comprimento da cadeia e a absorção e emissão de luz, os pesquisadores separaram copolímeros com diferentes comprimentos de cadeia e os organizaram em tubos de ensaio, do longo ao curto. O brilho de uma luz UV nos tubos cria um arco-íris completo, pois cada um absorve e emite a luz em diferentes energias.

A matriz colorida baseada no comprimento da cadeia do copolímero é particularmente única porque, até agora, os silicones só eram conhecidos por serem transparentes ou brancos porque as suas propriedades isolantes os tornavam incapazes de absorver muita luz.

"Estamos pegando um material que todos pensavam ser eletricamente inerte e dando-lhe uma nova vida-que poderia alimentar a próxima geração de eletrônicos macios e flexíveis", disse Zijing (Jackie) Zhang, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais da U-M e principal autor do estudo.