Una regla-silicona colorida y rompedora que podría conducir electricidad

Una variante de silicona recientemente descubierta es un semiconductor, investigadores de la Universidad de Michigan han descubierto-suposiciones trastocadas de que la clase de material es exclusivamente aislante.

"El material abre la oportunidad para nuevos tipos de pantallas planas, energía fotovoltaica flexible, sensores portátiles o incluso ropa que puede mostrar diferentes patrones o imágenes", dijo Richard Laine, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y ciencia e ingeniería macromolecular de la UM y autor correspondiente del estudio publicado recientemente en Macromolecular Rapid Communications.

Los aceites y cauchos de silicona-polisiloxanos y silsesquioxanos-son tradicionalmente materiales aislantes, lo que significa que resisten el flujo de electricidad o calor. Sus propiedades-resistentes al agua los hacen útiles en dispositivos biomédicos, selladores, recubrimientos electrónicos y más.

Mientras tanto, los semiconductores convencionales suelen ser rígidos. La silicona semiconductora tiene el potencial de permitir la electrónica flexible que describió Laine, así como la silicona que viene en una variedad de colores.

A nivel molecular, las siliconas están formadas por una columna vertebral de átomos alternos de silicio y oxígeno (Si-O-Si) con grupos orgánicos (a base de carbono-) unidos al silicio. Varias formaciones tridimensionales de cadenas de polímeros surgen a medida que se conectan entre sí, lo que se conoce como reticulación, lo que altera las propiedades físicas del material, como la resistencia o la solubilidad.

Mientras estudiaba diferentes-estructuras de enlaces cruzados en la silicona, el equipo de investigación se topó con el potencial de conductividad eléctrica en un copolímero, que es una cadena de polímero que contiene dos tipos diferentes de unidades repetitivas-estructuradas en jaula-siliconas estructuradas y luego lineales en este caso.

La posibilidad de conductividad surge de la forma en que los electrones pueden moverse a través de enlaces Si-O-Si con orbitales superpuestos. Los semiconductores tienen dos estados principales: el estado fundamental, que no conduce la electricidad, y un estado conductor, que sí lo hace. El estado conductor, también conocido como estado excitado, ocurre cuando algunos electrones saltan al siguiente orbital electrónico, que está conectado a través del material como un metal.

Normalmente, los ángulos de enlace Si-O-Si no permiten esa conexión. A 110 grados, están muy lejos de una línea recta de 180 grados. Pero en el copolímero de silicona que descubrió el equipo, estos enlaces comenzaron a 140 grados en el estado fundamental-y se estiran hasta 150 grados en el estado excitado. Esto fue suficiente para crear una carretera por la que fluyera la carga eléctrica.

"Esto permite una interacción inesperada entre electrones a través de múltiples enlaces, incluidos los enlaces Si-O-Si en estos copolímeros", dijo Laine. "Cuanto más larga sea la cadena, más fácil será para los electrones viajar distancias más largas, lo que reducirá la energía necesaria para absorber la luz y luego emitirla a energías más bajas".

Las propiedades semiconductoras de los copolímeros de silicona también permiten su espectro de colores. Los electrones saltan entre el suelo y los estados excitados absorbiendo y emitiendo fotones o partículas de luz. La emisión de luz depende de la longitud de la cadena del copolímero, que el equipo de Laine puede controlar. Las cadenas más largas significan saltos más pequeños y fotones de menor energía, lo que le da a la silicona un tinte rojo. Las cadenas más cortas requieren saltos más grandes de los electrones, por lo que emiten luz de mayor energía hacia el extremo azul del espectro.

Para demostrar la conexión entre la longitud de la cadena y la absorción y emisión de luz, los investigadores separaron copolímeros con diferentes longitudes de cadena y los dispusieron en tubos de ensayo de largo a corto. Al hacer brillar una luz ultravioleta sobre los tubos se crea un arco iris completo, ya que cada uno absorbe y emite la luz con diferentes energías.

La gama de colores basada en la longitud de la cadena del copolímero es particularmente única porque hasta ahora, solo se sabía que las siliconas eran transparentes o blancas porque sus propiedades aislantes las hacían incapaces de absorber mucha luz.

"Estamos tomando un material que todos pensaban que era eléctricamente inerte y dándole una nueva vida-una que podría impulsar la próxima generación de productos electrónicos blandos y flexibles", afirmó Zijing (Jackie) Zhang, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales de la UM-M y autor principal del estudio.