Laidieji polimerai yra XXI amžiaus elektronikos pagrindas. „Ekologiška ir spausdinta elektronika: ant sėkmės bangos“. Savybės ir pritaikymas

1.10 Dabarties ir ateities elektros grandinių gamybos technologijos

Daugelis įmonių ir tyrimų laboratorijų šiuo metu kuria įvairius „plastikinius“ elektroninius prietaisus. Tiesa, šiandien siūlomi sprendimai dažniausiai susiję su kažkokiu naujų ir tradicinių technologijų susiliejimu. Pavyzdžiui, vienas iš labiausiai paplitusių būdų yra puslaidininkinių medžiagų nusodinimas ant plastikinio pagrindo. Tačiau iš tikrųjų yra ir kita galimybė – laidžių savybių turinčių plastikinių medžiagų, tiksliau, laidžių polimerų, naudojimas.

Tiesą sakant, pirmieji, svarbiausi rezultatai šioje srityje
kurie tapo visų tolesnių tyrimų atskaitos tašku, gavo Hideki Shirakawa iš Tsukuba universiteto (Japonija), Alanas J. Heegeris iš Kalifornijos universiteto ir Alanas G. MacDiarmidas iš Pensilvanijos universiteto. Pirmasis pranešimas apie juos pasirodė 1977 m. žurnale „Journal of Chemical Society“.

Esmė

Laidžių polimerų pagrindas yra didelės molekulinės medžiagos, kurių molekulės yra kintamos dvigubos jungtys. Gryna forma jie nėra krūvio laidininkai, nes juose esantys elektronai yra lokalizuoti dėl jų dalyvavimo formuojant stiprius cheminius ryšius. Elektronams išlaisvinti naudojamos įvairios priemaišos. Po jų įvedimo tampa įmanoma perkelti krūvius (elektronus ir skyles) išilgai molekulinės grandinės.

Elektroliuminescenciniai polimerai

Vienas iš svarbių žingsnių kuriant puslaidininkinius polimerus buvo elektroliuminescencinių polimerų gamyba pačioje 90-ųjų pradžioje. Jie taip pat yra laidūs, o spinduliuotė atsiranda dėl krūvių ir skylių rekombinacijos. Šiuo metu tokie polimerai jau plačiai naudojami elektronikos pramonėje: jų pagrindu kuriami OLED (Organic Light-Emitting Display) ekranai, kuriuos daugelis ekspertų laiko labai rimtu LCD ekranų konkurentu delniniame įrenginyje. turgus.

Praktinis naudojimas

Polimeriniai laidininkai ir puslaidininkiai dabar laikomi XXI amžiaus organoelektronikos pagrindu. Žinoma, medžiagos, kurių pagrindą sudaro organinės anglies molekulės, prasčiau praleidžia elektrą nei, pavyzdžiui, varis, ir šiek tiek blogiau nei silicis, kaip mikroschemų pagrindas. Tačiau jie gali lengvai įgauti bet kokią reikiamą formą, yra lengvesni ir pigesni. Be to, keičiant cheminę sudėtį, šių medžiagų savybes galima keisti daug plačiau nei neorganinių. Ištirpusius polimerus galima krauti į įprastus rašalinius spausdintuvus, o įvairius elektroninius prietaisus purkšti tiesiai ant popieriaus ar kito lankstaus pagrindo. Pavyzdžiui, purškdami polimerinius šviesos diodus galite sukurti vaizdo ekranus mobiliesiems telefonams ir kitiems delniniams įrenginiams. Praktikos srityje vis dar yra daug idėjų ir patobulinimų
laidžių polimerų taikymas. Artimiausiais metais, pasak ekspertų, šios technologijos tvirtai įsilies į mūsų gyvenimą.

Šis straipsnis skirtas ne kompozitiniams laidžiams polimerams, kuriuose dėl užpildo savybių pasiekiamas didelis elektros laidumas, o laidžių polimerų, turinčių savo elektrinį laidumą.

Paskelbta ataskaita apie metalinio laidumo lygio pasiekimą dengiant poliacetileno (PAc) plėveles Shirakawa ir kt . (1977) sukėlė didžiulį susidomėjimą laidžių polimerų tyrimais, kurie tęsiasi iki šiol. Nors tai nebuvo pirmasis laidžio polimero pavyzdys, elektrinio laidumo padidėjimas daugiau nei 10 7 kartus, kai trans-PAC buvo legiruotas arsenu arba jodo pentafluoridu, buvo dramatiškas ir reikšmingas (1 pav.). Šis atradimas sukėlė susidomėjimą konjuguotų polimerų laidumu, nes tikimasi padidinti jų elektrinį laidumą.

Ryžiai. 1. Padidėjęs trans-PAC elektrinis laidumas, kai naudojamas arseno pentafluoridu.

1960-aisiais buvo tiriami kiti laidžių polimerų polianilino ir polipirolio klasės atstovai ir nustatytas jų elektrinis laidumas 330 omų -1.× m -1 ir 754 Ohm -1 × m -1, atitinkamai.

Laidžių polimerų elektrinio laidumo teorija.

Po to, kai buvo atrastos PAC metalinės savybės, dauguma teorinių darbų buvo atlikti naudojant šį laidų polimerą kaip pavyzdį. Pirmuosiuose darbuose Longuetas – Higinsas ir Seilemas (1959) ir daugelis kitų naudojo Hückel modelį, ir buvo parodyta, kad pagrindinėje būsenoje PAC grandinė turi struktūrą su kintamomis jungtimis (1 pav., b), o ne struktūrą su vienodo ilgio C-C jungtimis ( 1 pav., a).

Ryžiai. 2. Trans-poliacetileno cheminė struktūra su vienodais jungčių ilgiais (a) ir kintamosiomis jungtimis (b).

1979 m. buvo pasiūlytas Hückel stipraus surišimo modelis, kuris buvo PAC molekulinės ir elektroninės struktūros analizės pagrindas ir dabar paprastai vadinamas modeliu. SSH.

Yra dvi galimos kintamų jungčių fazės, o tai reiškia, kad yra dvi alternatyvios polimero pagrindinės būsenos struktūros, I ir II Fig. 3, kurių energijos yra išsigimusios. Šioms struktūroms būdingas jungties kaitos parametras, kurio reikšmės yra ±1. Atkreipkite dėmesį, kad jungties kaitos parametro reikšmė, lygi nuliui, atitinka vienodo jungties ilgio struktūrą. Jei dviejose taikinio dalyse yra priešingos ryšio keitimo parametro reikšmės, toje vietoje, kur šis parametras keičia ženklą, atsiranda defektas, kaip parodyta Fig. 3, o ten pasirodo nesuporuotasπ -elektronas, kuris nėra įtrauktas į dvigubą ryšį jokioje grandinės dalyje.

Ryžiai. 3. Du galimi PAC ryšių kaitos tipai ir solitono susidarymas.

Polimero grandinė kaip visuma yra elektriškai neutrali, tačiau elektronas sandūroje (kink) turi nesuporuotą sukimąsi.π -Dvigubų jungčių elektronai turi suporuotus sukinius, todėl ideali polimero grandinė yra diamagnetinė, o grandinė su kinku yra silpnai paramagnetinė. Kadangi grandinės energija abiejose kinko pusėse yra vienoda, ji gali judėti išilgai grandinės, o bendra energija nekinta, t.y. Nesuporuotas elektronas yra mobilus objektas, kuris gali laisvai judėti grandinėje. Pagal analogiją su vienu ( vienišas ) bangas vandenyje, toks darinys vadinamas solitonu.

Kai žiede yra nelyginis anglies jungčių skaičius, turėtų atsirasti solitonas, nes pirmoji ir paskutinė jungtys turi būti viengubos arba dvigubos. Jei ryšių skaičius žiede yra lygus, ribinės sąlygos tenkinamos ir solitonas neatsiranda. Tačiau žiede su lyginiu skaičiumi jungčių gali atsirasti du priešingų ženklų solitonai, solitonas ir antisolitonas, kai antisolitoną sudariusių ryšių kaitos pažeidimas kompensuoja ryšių kaitos pažeidimą, dėl kurio atsirado solitono susidarymas. Šie svarstymai taip pat taikomi baigtinio ilgio grandinei, kurioje galinės grupės fiksuoja ryšių kaitos fazę. Taigi baigtinio ilgio grandinės, kurios galuose kintamųjų ryšių fazės yra priešingos, pagrindinėje būsenoje turi būti solitonas, kitaip solitonas nesusidarys.

Kai poliacetilenas yra legiruotas stipriais elektronų akceptoriais arba donorais, įkrautų solitonų būsenų susidarymui reikia mažiau energijos, todėl padidėja polimero elektrinis laidumas.

Laidžių polimerų elektrinės savybės.

Laidiesiems polimerams gauti gali būti naudojami poliaddicijos ir polikondensacijos sintezės metodai.

Aukščiau pateikti eksperimentiniai duomenys rodo, kad juostos tarpas tarp valentinės juostos ir laidumo juostos laidžiuose polimeruose yra keli elektronų voltai, o tai panašu į juostos tarpą silicyje ir germanyje. Šiuo atveju juostos tarpas yra daug didesnis nei šiluminio judėjimo energija kambario temperatūroje (~ 0,025 eV), todėl tokiomis sąlygomis termiškai sužadinamų krūvininkų skaičius yra labai mažas. Atitinkamai, grynų laidžių konjuguotų polimerų vidinis laidumas taip pat yra mažas. Tas pats vaizdas susiklosto siliciui ir germaniui, kuriems būtina įvesti nedidelį kiekį akceptorių arba donorų (priemaišų ar priedų), kad priemaišų laidumas pasiektų praktiniam naudojimui reikalingą lygį. Tačiau šviežiai paruoštų laidžių polimerų elektrinis laidumas dažnai būna didesnis nei jų pačių laidumo lygis, o tai yra atsitiktinio polimero sumaišymo su katalizatoriaus likučiais, oksidacinėmis ar redukuojančiomis priemaišomis, kurios pateko į jį sintezės metu arba vėlesnėse, rezultatas. manipuliacijos. Dažniausia priemaiša yra deguonis. Atsitiktinio dopingo poveikį galima neutralizuoti cheminiu būdu, nes daugumą atsitiktinio dopingo sukelia oksidacinės priemaišos, todėl susidaro p tipo puslaidininkis; gydymas redukuojančiomis medžiagomis sumažina elektros laidumą.

Didžiausias elektros laidumas stebimas grynuose orientuotuose didelės molekulinės masės polimeruose. Didžiausios gautos vertės yra ~10 7 Ohm -1 m -1 PAC ( Tsukamoto, 1992) ir 2 × 10 5 Ohm -1 m -1 polianilinui ( Pomfret ir kt ., 1998). Elektros laidumas masės vienetui yra artimas arba didesnis nei įprastiems metalams būdingos vertės, nes mažesnis polimerų tankis kompensuoja mažesnį elektros laidumą. Metalinių polimerų darbinė funkcija yra artima normalių metalų vertėms, pavyzdžiui, polianilinui ji yra 4,8 eV, o PEDOT - ~5 eV, tai yra tarpinė vertė tarp aukso ir aliuminio verčių.

Literatūra:

Blythe E.R., Bloor D. Elektrinės polimerų savybės. Per. iš anglų kalbos - M: FIZMATLIT, 2008. - 376 p.

Pavadinimas (-ai): Laidieji polimerai

Katalogo numeris: 23

Pagrindinis dalykas (mokykloje): chemija, fizika

Žinių sritis (universitetas): krūvio perdavimo kompleksai, organinė chemija, molekulinė elektronika

Aktualumas: Moksleiviai puikiai žino, kad metalai ir grafitas (dabar grafenas) gerai praleidžia elektros srovę, tačiau tik nedaugelis iš jų manė, kad organiniai junginiai, ypač ypatingos sudėties ir struktūros polimerai (klasikiniai pavyzdžiai – „leiruotas“ poliacetilenas, polianilinas ir „organinis“). metalai“). Tuo pačiu metu būtent šie polimerai tampa vis paklausesni dėl molekulinės, organinės, spausdintinės (lanksčios) elektronikos, naujų informacijos rodymo įrenginių, polimerinių saulės elementų gamybos technologijų ir kt.

Naujovė: visiškai organinio junginio, kuris kietoje būsenoje praleidžia elektros srovę, gamyba

Tikslas: nemetalinių lanksčių laidininkų gamyba ir tyrimas

Užduotys:

1. įvadas į kietųjų kūnų juostos teorijos pagrindus

2. susipažinimas su molekulinės, organinės, lanksčios elektronikos pagrindais (specialioji dėstytojo literatūra), didelės molekulinės masės junginių sandara, klasifikacija ir savybėmis.

3. literatūros apie laidumo mechanizmus organiniuose polimeruose analizė

5. sintezės metodo parinkimas (fotocheminė, elektrocheminė, terminė, oksidacinė polimerizacija ir kt.), polimero dopingo ar cheminio modifikavimo metodo nustatymas (jei reikia) siekiant padidinti jo laidumą (pavyzdžiui, hibridinių neorganinių-organinių medžiagų gavimas). )

6. laidžiojo polimero gavimas plėvelės, disperguotų sferoidų (suspensijos), gelio ir kt.

7. gauto polimero elektrinių savybių, jo cheminio, fotocheminio, terminio stabilumo tyrimas

8. įrenginių prototipų kūrimas (jei įmanoma)

9. rezultatų apibendrinimas ir galimų gauto polimero panaudojimo sričių analizė.

Eksperimentiniai metodai: polimerų gavimas termo-, fotopolimerizacijos, oksidacinės polimerizacijos ir kt. būdu, tiriant polimero elektrines savybes ir šių savybių degradaciją veikiant išoriniams neigiamiems poveikiams arba „eksploatacijos metu“.

Metodiniai metodai: susipažinimas su didelės molekulinės masės junginiais ir kietųjų kūnų elektronų ir skylių laidumo mechanizmais

Reikalingi nestandartiniai reagentai ir ištekliai: monomerai laidžiam polimerui gaminti, kiti reagentai, elektrofizinių matavimų įrengimas (galbūt elektrocheminei sintezei), skenuojančio zondo mikroskopija, virpesių spektroskopija

Studento teorinės medžiagos įsisavinimas: cheminių junginių struktūra, stereochemija, įvairių klasių polimerų sandara, juostų teorija

Studento įgyti įgūdžiai: didelės molekulinės masės junginių gavimo metodai, darbas su elektros grandinėmis

Ankstesnė medžiaga apie mokyklos mokymo programą: anglies, aromatinių ir heterociklinių junginių chemija, cheminio ryšio teorija, metalai, puslaidininkiai, dielektrikai

Mokytojo vaidmuo: bendra pagalba įgyvendinant projektą, saugos taisyklių laikymosi kontrolė

Galima dėstytojų pagalba: reagentų, specialios literatūros teikimas, konsultacinė pagalba, instrumentinė analizė (terminė analizė, elektrofiziniai matavimai, virpesių spektroskopija, elementų analizė, optinė, skenuojančio zondo mikroskopija ir kiti matavimai pagal poreikį).

Saugos priemonės: dirbti su potencialiai toksiškais junginiais (jei pasirinkti tinkami monomerai)

Pastabos: geriausias (bet ne vienintelis) variantas yra gauti polianiliną per oksidacinę analinio druskų polimerizaciją, taip pat turėtumėte pabandyti gauti kitų laidžių polimerų, palyginti polimerus, kurie praleidžia per elektronus ir „skyles“, sukurti prietaisų prototipą. ant laidžių polimerų (pavyzdžiui, puslaidininkinis sluoksnis su fotoefektu, fotochrominė danga ir kt.).

Laidus polimeras.

Kiti klasterio „Projektų darbų temų katalogas“ darbai (hiperteksto navigatorius):

Straipsnis konkursui „bio/mol/text“: Mokslininkai jau seniai svajojo gyvūnus ir augalus paversti elektros signalais valdomais kiborgais ir tai bando padaryti įvairiais būdais. Taigi, maždaug prieš 10 metų, atsirado nauja mokslo sritis – organinė bioelektronika – kurioje elektrai laidūs polimerai veikia kaip tarpininkai tarp gyvų būtybių ir kompiuterių. Nuotolinis rožių lapų spalvos valdymas, dirbtinis neuronas ir tikslingas skausmo gydymas – pirmieji šio trigubo aljanso rezultatai jau įspūdingi.

Nominacijos rėmėjas – .

Generalinis konkurso rėmėjas, pagal mūsų sutelktinį finansavimą, buvo verslininkas Konstantinas Siniušinas, už ką jis turi didelę žmogišką pagarbą!

Žiūrovų apdovanojimo rėmėja buvo bendrovė „Atlas“.

Šio straipsnio publikavimo rėmėjas yra Andrejus Aleksandrovičius Kiselevas.

Visi gyvi organizmai yra maži robotai arba kompiuteriai. Tik vietoj įprastos elektros – elektronų, nubėgančių laidais į išėjimą ir atgal – mus valdo nerviniai impulsai, įkrautų molekulių, vadinamų jonais, srautai. O gyvose elektros grandinėse „mygtukai“ spaudžiami ne pirštais, o specialiomis medžiagomis – neurotransmiteriais. Kai jų koncentracija viršija tam tikrą ribą, neuronų ląstelių membranose prasideda biocheminių reakcijų grandinė, kuri baigiasi nervinio impulso sužadinimu.

Dabar mokslininkai bando „susituokti“ mūsų viduje esančius kompiuterius su įprastomis silicio lustais: smegenų ir kompiuterio sąsajos jau gali atpažinti nervinių ląstelių veiklą ir paversti jas prasmingomis elektronikos komandomis. Taigi, pasitelkę minties galią, galite žaisti paprastus žaidimus, judinti robotizuotą rankos protezą ar net valdyti keturkopterį. Tačiau visi šie įrenginiai vis dar kenčia nuo klaidų ir netikslumų – sujungti elektronines ir jonines sroves viename įrenginyje nėra paprasta.

Elektrai laidūs polimerai, kurie vienu metu praleidžia abiejų tipų sroves (1 pav.), gali tapti „vertėjais“ iš gyvosios kalbos į mikroschemų kalbą. Šias medžiagas, atrastas praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje, aktyviai tyrinėjo daugelis mokslininkų: iš jų buvo gaminami tranzistoriai, saulės elementai, organiniai šviesos diodai (OLED) ir kiti organinės elektronikos prietaisai.

1 pav. Scheminis organinių ( Dešinėje) ir neorganinis ( paliko) puslaidininkiai, besiliečiantys su elektrolitu.Įkrautų jonų dydžiai yra daug didesni nei atstumai tarp atomų neorganiniuose puslaidininkiuose, todėl šiose medžiagose neįmanomas jonų laidumas. Tuo pačiu metu būdingi tuštumų dydžiai tarp konjuguotų polimerų makromolekulių grandinių yra panašūs į hidratuotų jonų dydžius, todėl šios klasės junginiuose galimas joninis laidumas.

Dabar elektrai laidžių polimerų privalumus – lankstumą, paprastumą ir sintezės kintamumą, taip pat biologinį suderinamumą ir joninį laidumą – naudoja organinė bioelektronika – labai jauna medžiagų mokslo sritis, kuri jau turi kuo pasigirti.

Diagnostika iš vidaus

Daugelio smegenų ir kompiuterio sąsajų veikimas pagrįstas EEG paėmimu: prie žmogaus galvos pritvirtinamas dangtelis su elektrodais, kuriame, veikiant smegenyse tekančių jonų srovėms, kyla jų pačių elektroninės srovės. 2013 m. paskelbtame dokumente mokslininkai iš Prancūzijos pasiūlė tiems patiems tikslams naudoti organinius elektrocheminius tranzistorius.

Įprasti puslaidininkiniai tranzistoriai yra pagrindiniai visų elektrinių loginių grandinių komponentai, savotiški elektroniniai mygtukai su trimis kontaktais. Santykinai didelę srovę, tekančią per juos iš vieno kontakto į kitą, galima valdyti mažu signalu (daug mažesnė srovė ar įtampa lauko tranzistoriaus atveju), perduodamas trečiajam kontaktui. Surinkę daug tranzistorių vienoje grandinėje, galite sustiprinti, susilpninti ir konvertuoti bet kokius elektrinius signalus arba, kitaip tariant, apdoroti informaciją.

Panašiai veikia ir organiniai tranzistoriai, kuriais mokslininkai fiksavo gyvų laboratorinių pelių epilepsinį aktyvumą. Trečiasis šio tranzistoriaus valdymo kontaktas buvo pagamintas iš laidžio polimero ir įterptas tiesiai į graužikų smegenis. Polimeras pakeitė savo struktūrą (ir dėl to laidumą) kartu su nervinių ląstelių elektrinio aktyvumo svyravimais ir dėl to net nedideli būdingi jonų srovių pokyčiai „kiborgo“ smegenyse lėmė pastebimus srovės skirtumus. tekančios iš tranzistoriaus įėjimo kontakto į išėjimą (2 pav.).

2 pav. In vivo smegenų elektrinio aktyvumo registravimas naudojant organinius tranzistorius. Rožinis Spalva rodo priklausomybę, paimtą naudojant organinį elektrocheminį tranzistorių, mėlyna- plastikinis elektrodas, juodas- metalinis elektrodas. Atkreipkite dėmesį, kad paskutiniai du elektrodai elektrinį signalą registruoja potencialų šuoliais, o tranzistorius - srovės šuoliais elektrai laidžiame kanale.

Savo eksperimentu prancūzai parodė, kad organiniai tranzistoriai leidžia fiksuoti elektrinį smegenų aktyvumą daug tiksliau nei jų šiuolaikiniai neorganiniai analogai. Kitų mokslinių grupių eksperimentuose organiniai tranzistoriai sėkmingai naudojami EKG paimti ar, pavyzdžiui, pieno rūgšties, gliukozės ir kitų biomolekulių koncentracijai nustatyti.

Plastikiniai neuronai

Šiandien neurologinės ir psichikos ligos gydomos daugiausia medikamentais, tačiau pasirinkti jų dozę, tiksliai tiekti vaistą į tam tikras ląsteles ir tuo pačiu atsižvelgti į šalutinį jo poveikį įvairiems organizmo procesams gali būti labai sunku. . Didelė Švedijos mokslininkų komanda iš kelių institutų pasiūlė šias problemas spręsti naudojant tuos pačius elektrai laidžius polimerus, tiksliau, naudojant kitą organinės bioelektronikos įrenginį – organinių elektronų jonų siurblį, galintį pumpuoti jonus iš vienos terpės į kitą.

Savo darbe mokslininkai tyrė laboratorines žiurkes, kurioms pirmiausia sukėlė neuropatinį skausmą (jo priežastis buvo ne išorinis dirgiklis, o pačių neuronų veiklos sutrikimas), o vėliau gydė tikslinga neurotransmiterio injekcija. GABA (gama-aminosviesto rūgštis), kuris mažina centrinės nervų sistemos dirginimą. Į žiurkių nugaros smegenis buvo įdėtas miniatiūrinis organinis siurblys (apie 12 cm ilgio ir 6 mm skersmens), kurio rezervuaras buvo užpildytas GABA (3 pav.). Pritaikius išorinę elektros įtampą, GABA molekulės keturiais jonus laidžiais polimero kanalais pradėjo išeiti į tarpląstelinę erdvę (1 vaizdo įrašas).

3 pav. Implantuojamas organinis elektrocheminis siurblys. A - įrenginio nuotrauka, B - įrenginio schema, kairėje - elektrinis kontaktas, centre - rezervuaras su GABA, dešinėje - šalinimo kanalai. Bendras įrenginio ilgis – 120 mm, bako skersmuo – 6 mm. C - keturi organiniai elektrocheminiai išėjimai yra tose vietose, kur sėdimojo nervo šakos patenka į nugaros smegenis.

Video 1. Organoelektroninis jonų siurblys

Dėl to žiurkės prarado skausmą (tai buvo patikrinta naudojant lytėjimo testą: ant žiurkių letenų buvo užtepti įvairaus standumo elastiniai siūlai ir buvo stebimas spaudimas, kuriam esant gyvūnas atitraukė leteną), nepastebėta jokių šalutinių poveikių. . Taikant visus kitus neuropatinio skausmo gydymo būdus naudojant GABA, į nugaros smegenis suleidžiama didelė vaisto dozė, kuri pasiskirsto po visą nervų sistemą ir, be skausmo slopinimo, sukelia vaikščiojimo sutrikimus, mieguistumą ir kitus šalutinius poveikius.

Lygiagrečiai su šiuo darbu ta pati mokslininkų grupė sukūrė pirmąjį polimero pagrindu pagamintą dirbtinį neuroną. Jis sujungė jonų siurblį su jautriais biojutikliais glutamo rūgštis(labiausiai paplitęs sužadinimo neuromediatorius) ir acetilcholinas(neurotransmiteris, perduodantis signalą iš neuronų į raumenų audinį). Pavyzdžiui, viename iš eksperimentų „plastikinis“ neuronas stebėjo glutamato lygį Petri lėkštelėje, o viršijus tam tikrą slenkstį, joje buvo sužadinama srovė, kuri atidarė jonų siurblio rezervuarą, išskirdama acetilcholiną. į aplinką.

Dirbtinio neurono veikimas labai panašus į tai, kaip funkcionuoja tikri: viename iš jų sužadinamas nervinis impulsas, kuris eina per visą ląstelę iki sąlyčio su kitu neuronu taško, kur išsiskiria glutamo rūgštis, kuri tarsi. , paspaudžia mygtuką ir sužadina kitą neuroną (4 pav.). Taigi išilgai neuronų grandinės impulsas pasiekia raumenų ląstelę, kurią jaudina nebe glutamo rūgštis, o acetilcholinas. Švedų sukurtas plastikinis neuronas gali pakartoti šiuos veiksmus ir perduoti signalus kitoms ląstelėms. Eksperimente tai buvo SH-SY5Y neuroblastomos ląstelės, kurių aktyvacija buvo stebima būdingu jonų koncentracijos padidėjimu prisijungus prie acetilcholino receptorių.

4 pav. Cheminio signalo pavertimo elektriniu signalu ir atgal dirbtiniame polimeriniame neurone schema yra identiška gyvo neurono veikimo schemai. Biosensorius ( pavaizduotas žaliai) reaguoja į vieno neuromediatoriaus koncentracijos padidėjimą ( oranžiniai taškai), kuris generuoja elektronų srautą, kuris sužadina organinį elektrocheminį siurblį ( pavaizduota mėlyna spalva), išskirdamas kitą neuromediatorių ( mėlyni taškai).

Nuo elektroninių rožių iki žaliausios energijos

Pelių, žiurkių ir kitų laboratorinių gyvūnų tyrimams turi pritarti etikos komisijos, todėl drąsiausius organinės bioelektronikos eksperimentus lengviau atlikti su augalais. Taigi 2015 metų pabaigoje ta pati Švedijos grupė pagamino pirmąją kiborgo rožę. Tiesa, kol kas nieko įspūdingo padaryti negali – nei atsidaryti paspaudus valdymo pulto mygtuką, nei pakeisti savo spalvos priklausomai nuo aplinkos drėgmės, nei užvaldyti pasaulio, tačiau mokslininkams pavyko. kažkas įdomaus.

Pirmajame eksperimente nupjauta rožė buvo patalpinta į vandenį su ištirpusiu elektrai laidžiu polimeru, kuris pakilo į viršų ir rožėje sudarė laidų kanalą. Toliau mokslininkai sujungė elektrinius kontaktus prie kanalo galų ir į rankeną įkišo valdymo elektrodą – auksinę vielą, padengtą laidžiu polimeru. Taip rožės viduje buvo surinktas savotiškas organinis tranzistorius. Tokiu atveju buvo galima prie vieno kanalo vienu metu prijungti kelis valdymo elektrodus ir padaryti paprastą loginę grandinę, kuria srovė teka tik tada, kai abiem auksiniams laidams yra padėjus tam tikros valdymo įtampos.

Antrojo eksperimento metu į rožių lapus švirkštu buvo pumpuojamas kito elektrai laidžio polimero vandeninis tirpalas, kuris gali pakeisti spalvą, kai įjungiama išorinė įtampa. Ant lapo buvo uždėti elektrodai, įjungta srovė ir voila: lapo gyslos įgavo melsvai žalią atspalvį. Būtent į juos pumpuojamas polimeras iš bespalvio virto mėlynu (2 vaizdo įrašas). Tuo pačiu metu, pašalinus įtampą, lapas vėl įgavo sveiką žalią spalvą.

Taigi mokslininkai įrodė, kad paprastos technologijos pagalba galima sukurti paprastas elektronines grandines augalų viduje. Ateityje tai leis kontroliuoti jų fiziologiją ir, pavyzdžiui, pasiekti didesnį produktyvumą be genetinių modifikacijų ar net gaminti mažas elektrines naudojant fotosintezės energiją. Žinoma, kol kas tai skamba per brangu, bet kada nors organinės bioelektronikos technologijos leis tikslingai kontroliuoti kiekvieną augalą, o ne visą populiaciją iš karto.

Bioelektronikos ateitis

Pirmieji eksperimentai parodė, kad organinės bioelektronikos prietaisai gana pajėgūs priimti, perduoti ir apdoroti bioelektrinius signalus. Kas toliau? Dabar jie išmoko polimerines medžiagas padaryti biologiškai suderinamas ir biologiškai skaidomas, todėl bet kuris gyvas organizmas tiesiogine prasme gali būti prikimštas jų pagrindu pagamintų lustų. Belieka juos išmokyti perduoti belaidžiu būdu informaciją, o žmogaus kūno viduje bus galima sukurti vietinį jutiklių tinklą, kuris nuolat stebi įvairius medicininius rodiklius, tokius kaip gliukozės lygis, širdies susitraukimų dažnis ir pasirinktų neuronų elektrinis aktyvumas, o vėliau perduoda savo signalus implantuotiems medicininiams robotams, pagrįstiems tais pačiais joniniais siurbliais, kad jie pradėtų spręsti problemą.

Jei idėja tapti tokiu kiborgu jums visiškai nepatinka, galite tiesiog nuryti tabletę su įmontuota lanksčia mikroschema - pagal rūgštingumą, temperatūrą ir įvairių medžiagų koncentraciją ji tiksliai apskaičiuos, kur. išleisti vaistus, ir, padarę gerą darbą, tiesiog bus suvirškinti mūsų viduje kaip koks cukraus gabalas.

Siųsti savo gerą darbą žinių bazėje yra paprasta. Naudokite žemiau esančią formą

Studentai, magistrantai, jaunieji mokslininkai, kurie naudojasi žinių baze savo studijose ir darbe, bus jums labai dėkingi.

2014 metai

Tema: Polimerai ir jų panaudojimas XXI amžiuje

1. Polimerai

1. Molekulinio polikondensacinio polimero apibrėžimas

v Pagal savo apibrėžimą polimeras yra didelės molekulinės masės junginys, turintis pakankamą kiekį monomerų arba „monomerų vienetų“.

v Kitaip tariant, polimerai yra linijinės grandinės, susidedančios iš didelio (N>1) vienodų vienetų skaičiaus. Pavyzdžiui, sintetiniams polimerams N~ 102-104.

v Paprastai polimerai yra medžiagos, kurių molekulinė masė nuo kelių tūkstančių iki kelių milijonų.

2. Pirmoji polimero gamyba:

v 1867 metais rusų chemikas Aleksandras Butlerovas gavo pirmąjį polimerą – iki tol nežinomą poliizobutileną.

v O 1910 m. Sergejus Lebedevas, taip pat rusų chemikas, susintetino pirmąjį dirbtinės gumos pavyzdį ((CH3)2C=CH2)n.

3. Polimerų gamybos reakcijos – polikondensacija ir polimerizacija:

v Iš esmės visi polimerai gaminami dviem būdais – polikondensacijos ir polimerizacijos reakcijomis.

v Molekulės, turinčios daugybinę (dažniausiai dvigubą) jungtį, patenka į polimerizacijos reakciją. Tokios reakcijos vyksta pagal pridėjimo mechanizmą, viskas prasideda nuo dvigubų jungčių nutraukimo (reakcija Nr. 1 - polietileno gamyba):

v Daugelis polimerų, įskaitant nailoną, gaminami tokio tipo reakcijos metu.

Paskelbta http://www.allbest.ru/

2014 metai

1. Polimerų klasifikacija:

2. Polimero struktūra:

3. Taikymas:

v Dėl vertingų savybių polimerai naudojami mechaninėje inžinerijoje, tekstilės pramonėje, žemės ūkyje, medicinoje. Automobilių ir laivų statyba, orlaivių statyba ir kasdieniame gyvenime (tekstilės ir odos gaminiai, indai, klijai ir lakai, papuošalai ir kiti daiktai).

v Gumos, pluoštai, plastikai, plėvelės ir dažų dangos gaminamos iš didelės molekulinės masės junginių.

2. Polimerai. Taikymas XXI amžiuje

v Mokslas ilgą laiką nestovi vietoje ir per tą laikotarpį nuo polimero atradimo iki šių dienų buvo sukurta labai daug šios nuostabios medžiagos modifikacijų. Kai kurie iš naujausių patobulinimų yra šie trys polimerai, kurių kiekvienas turi unikalių savybių.

1. „Protingas plastilinas“

v Pagrindinis tokio plastilino komponentas yra polidimetilsiloksanas – (C2H6OSi)n. Šis polimeras sujungia keletą neįprastų savybių. Taigi, priklausomai nuo skirtingų aplinkos sąlygų, jis elgiasi nevienodai: ramybės būsenoje plinta kaip skystis, veikiamas aštraus mechaninio poveikio suyra į gabalus kaip kieta medžiaga.

v „Išmanusis plastilinas“ buvo gautas atsitiktinai, jo išradėjas silikoninę alyvą sumaišė su boro rūgštimi, tikėdamasis gauti naujo tipo kaučiuką, tačiau lipni masė pasirodė ne tokia.

2. Hidrogelis

v Hidrogeliai yra kietos granulės, polimerinė medžiaga, kurios tūris per porą valandų gali padidėti daugiau nei dešimt kartų. Tam tereikia vandens, granulės išbrinks ir taps minkštos kaip vaškas, vandeniui išgaravus jos susitrauks ir vėl sukietės. Tokios medžiagos vadinamos superabsorbentais, jos ne tik sugeria didžiulius kiekius vandens, išbrinkęs polimeras sulaiko jį viduje su savo molekulėmis.

v Tirpikliui absorbavus polimerą, ritės ištempiamos, t.y. Pradinėje būsenoje suspaustas polimerinis rutulys sugeria tirpiklį, pvz., vandenį, ir jis yra rutulio viduje.

v Šiuo principu grindžiami ekologiniai dirvožemiai ir hidrogeliai, naudojami žemės ūkyje. Paprastai laistant augalus, didžioji dalis vandens patenka į gilesnius dirvožemio sluoksnius. Į dirvą įdėtas hidrogelis neleidžia jai prasiskverbti pro pirštus, net jei augalas įsišaknys per granulę, vanduo iš jos neišsilies.

v Kadangi vandens molekulė yra įterpta į hidrogelio polimerų grandines, fiziškai sunaikinus hidrogelį, vandens nutekėjimas nepastebimas, o sistema išlaiko tokias pačias savybes kaip ir prieš sunaikinimą.

v Ryškiausias superabsorbento darbo pavyzdys – vaikiškos vienkartinės sauskelnės, veikimo principą žino net ir nesusidūrę. Daugiasluoksnis dizainas turi tą patį polimerą, kuris sugeria skystį kaip kempinė. Hidrogelis, panaši medžiaga iš vystyklų, gali atlikti ir rimtesnį darbą, pavyzdžiui, naftos pramonėje.

v Naftos gamyboje jau seniai buvo rimtų problemų. Išsiurbiant kiekvienai „juodojo aukso“ tonai tenka trys tonos vandens. Didžiulės pinigų sumos išleidžiamos aliejui išvalyti nuo skysčių pertekliaus. Mokslininkai ilgą laiką ieškojo būdo, kaip atskirti naftą nuo vandens prieš jai patenkant į dujotiekį, sprendimas buvo rastas Maskvos valstybinio universiteto laboratorijoje.

v Polimerinis skystis pumpuojamas į naftos gręžinį ir jis elgiasi skirtingai, priklausomai nuo to, ar gręžinys eina per vandens formaciją, ar per alyvą turinčią formaciją.

v Veikimo principas gana paprastas. Patekęs į šulinį, polimerinis skystis skirtingai reaguoja į aliejų ir vandenį, nereaguoja su „juoduoju auksu“, bet kai polimeras pakeliui susiduria su vandeniu, jis iš karto jį sugeria. Išbrinkęs gelis užkemša vandens sluoksnį ir jo neišleidžia. Hidrogelio išsiplėtimas sukuria papildomą spaudimą aliejui, dėl kurio jis išspaudžiamas grynas.

3. Išmanioji medicina

v Kai kurie polimerai turi galimybę reaguoti į išorinės aplinkos pokyčius, todėl „protingas plastilinas“ keičia spalvą priklausomai nuo temperatūros. Šaltame vandenyje pastebimai patamsėja, perpylus į kambario temperatūros vandenį grįžta į pradinę spalvą. Keičiantis temperatūrai, keičiasi kamuoliuko tankis, t.y. kuo žemesnė temperatūra, tuo mažesnis rutulio tūris, taigi, temperatūrai nukritus, dažai išspaudžiami, o juos nunešus, dažai įsitraukia į rutulį, dėl to pasikeičia spalva.

v Polimeras išspaudžia dažus kaip kempinė išspaudžia vandenį, bet ką daryti, jei dažus pakeisite vaistu, ar polimeras galės kontroliuojamai tiekti reikiamą vaisto dozę? Gyvame organizme yra toks tikslingas transporto vaistas, su šia sprendžiama problema, kurią reikia spręsti, gana rimtai kovojama.

v Dauguma vaistų iššvaistomi. Tabletė nemoka rasti sergančio organo, ištirpusi skrandyje per kraują pasklis po visą organizmą ir norimą vietą pasieks ne daugiau kaip 10 proc. Idealiu atveju vaistas turėtų tiesiogiai pasiekti sergantį organą ir nesukelti šalutinio poveikio.

v „Išmanieji polimerai“ gali reaguoti ne tik į temperatūrą, bet ir jautrūs bet kokiems aplinkos, kuriai jie yra užprogramuoti, pokyčiams. Žinome, kad žaizdą lydi rūgštėjimas, t.y. aplinka rūgštėja, bet šis helis pagamintas taip, kad rūgštus jis šiek tiek susitrauktų ir išstumtų į jį suleistus vaistus.

v Polimerinio gelio pagrindu buvo sukurtas unikalus vaistas – žaizdas gydantys hidrogeliai. Hidrogelis susideda iš aštuonių komponentų, kurie tam tikra seka sumaišomi distiliuotame vandenyje. Pramoniniu mastu kiekvienas komponentas pridedamas tam tikru laiko intervalu, o reakcijos metu šios medžiagos sukuria stabilią polimero struktūrą, į kurią vėliau pridedamas vaistas.

v Gelis yra priemonė, kurios mikrokapsulėse yra vaisto; jis taip pat vadinamas „išmaniuoju geliu“, nes, nepaisant jį vartojančių žmonių, jis pats ieško ir randa paveiktas vietas bei teikia pagalbą. Hidrogelyje yra ne vienas, o keli vaistai vienu metu, patekę į žaizdą, polimeras juos išskiria po vieną, priklausomai nuo to, ko organizmui reikia skausmui numalšinti ar gijimo procesui pradėti. Vaistas ant žaizdos tepamas palaipsniui per ilgą laiką, o tada jį galima tiesiog nuplauti vandeniu. Prieš šį darbą Rusijoje nieko panašaus nebuvo.

v Kapsulės (tabletės) apvalkalas veikia tuo pačiu principu, jis pagamintas iš specialaus polimero, kuris yra atsakingas ne tik už vaistų tiekimą pagal paskirtį, bet ir už tam tikros vaistų dozės išsiskyrimą laikui bėgant.

Bibliografija

1. ru.wikipedia.org

2. http://www.sigmapluss.ru/umniipolimer.php

3. http://www.kation-msk.ru/ru/press/article/15_8.html

4. http://xn--e1aogju.xn--p1ai/

5. http://www.km.ru/referats/7FA5CF33809646779974A80FDAD7A6CC

Paskelbta Allbest.ru

Panašūs dokumentai

Didelės molekulinės masės junginio susidarymas iš paprastų monomerų molekulių polimerizacijos ir polikondensacijos reakcijų metu. Polikondensacijos procesas yra laipsniškas procesas, kurio metu susidarantys produktai reaguoja vienas su kitu. Molekulinės grandinės.

santrauka, pridėta 2009-01-28


Polimerų sampratos ir struktūros tyrimas, jų klasifikavimas pagal kilmę, molekulinę formą ir prigimtį. Pagrindinių gamybos būdų – polikondensacijos ir polimerizacijos – charakteristikos. Plastikai ir pluoštai. Polimerų taikymas medicinoje ir statyboje.

pristatymas, pridėtas 2015-10-12


Praktinis emulsinės polimerizacijos ir akrilo monomerų kopolimerizacijos įgyvendinimas, reakcijos greitis ir kinetika, įtakojantys veiksniai. Preliminaraus koncentruotos emulsijos sukūrimo, mikroemulsijos formavimo ir jos dispersiškumo analizės metodas.

straipsnis, pridėtas 2010-02-22


Polikondensacijos reakcijų klasifikacija, jos atsiradimo gylis, Karoterių lygtis. Įvairių veiksnių įtaka polimero molekulinei masei ir išeigai polikondensacijos metu. Reakcijos vykdymo būdai. Polimerai, gauti polikondensacijos reakcijos būdu.

testas, pridėtas 2013-09-19


Polietilenas yra didelės molekulinės masės junginys, etileno polimeras; baltas kietas produktas, atsparus alyvoms, acetonui, benzinui ir kitiems tirpikliams. Polietileno taikymo sritis. Polietileninių vamzdžių panaudojimo sritys ir pagrindiniai jų privalumai.

santrauka, pridėta 2010-10-27


Bendra samprata apie polimerus. Didelės molekulinės masės junginių gavimo procesas. Biologiškai suderinamos medžiagos ir prietaisai. Organiniai, organiniai elementai, neorganiniai polimerai. Natūralūs organiniai polimerai. Biologinių klijų naudojimas neinvazinėje terapijoje.

santrauka, pridėta 2013-04-23


Kas yra polimerai ir polimerų mokslo raidos ypatumai. Didelės ir mažos molekulinės masės junginių savybių skirtumų aprašymas. Polimerų gamybos raidos istorija. Technologinis polimerų susidarymo, gamybos ir platinimo procesas.

santrauka, pridėta 2011-12-06


Didelės molekulinės masės junginio susidarymas iš monomerų molekulių polimerizacijos ir polikondensacijos reakcijų metu. Polikondensacijos procesas yra laipsniškas procesas, kurio metu susidarantys produktai reaguoja vienas su kitu. Katalizinė polimerizacija.

santrauka, pridėta 2009-01-28


Polimerai kaip organinės ir neorganinės, amorfinės ir kristalinės medžiagos. Jų molekulių sandaros ypatumai. Termino „polimeras“ istorija ir reikšmė. Polimerinių junginių klasifikacija, jų tipų pavyzdžiai. Taikymas kasdieniame gyvenime ir pramonėje.

pristatymas, pridėtas 2010-11-10


Polimerų klasifikacija, struktūra, panaudojimas įvairiose pramonės šakose ir kasdieniame gyvenime. Polimero susidarymo iš monomero reakcija yra polimerizacija. Polipropileno gamybos formulė. Polikondensacijos reakcija. Krakmolo arba celiuliozės gavimas.