Noen anvendelser av polymerer

Elektrisk ledende plast

Alle de hittil omtalte stoffene er elektriske isolatorer. Men kan da en polymer lages for å
lede strøm? Overraskende nok ble dette spørsmålet behandlet av teoretiske kjemikere på samme tid som ICIs forskere utviklet høytrykksog høytemperatur-prosessen for polyetylen.

I 1930-årene begynte kjemikerne å utvikle teoretiske beskrivelser av kjemiske bindinger
basert på kvanteteorien, som var noe helt nytt på den tiden. Kvanteteorien forutsier at π-elektronene i en dobbeltbinding en løsere bundet enn σ-elektronene, som vi har sett ovenfor. I noen tilfeller blir π-elektronene frie til å bevege seg over et helt molekyl. Dette forklarer de kjemiske egenskapene til molekyler med alternerende dobbeltbindinger og enkeltbindinger, såkalte konjugerte strukturer, se figur 18.

I et langt kjedemolekyl med alternerende enkelt- og dobbeltbindinger, en polyen, skulle π-
elektronene være frie til å bevege seg langs hele kjedens lengde, og i så fall ville vi forvente at polymeren var elektrisk ledende, dvs. den skulle oppføre seg som et metall. Den eksperimentelle utprøvingen av denne spådommen måtte vente i 20 år, inntil Natta forsøkte å polymerisere etyn (acetylen) for å lage polymeren polyetyn (polyacetylen) ved hjelp av en Ziegler-katalysator.

Navnet polyetyn kan virke forvirrende. Navnet er, som for de fleste andre polymerer, utledet av navnet til den tilsvarende monomeren, som her har en trippelbinding og derfor er en alkyn. Imidlertid har polymeren dobbeltbindinger og hører derfor til alkenene.

Resultatet fra Nattas forsøk var skuffende. Polymerisasjonen virket, men polymeren hadde ingen av de gode egenskapene som vanlige polymerer har. Den var et sort pulver, følsomt for luft, og kunne ikke bearbeides. Natta viste at alle dobbeltbindingene hadde en trans-geometri (med hydrogenatomene på motsatt side av hver dobbeltbinding) som vist på figur 19(a), men avbrøt så arbeidet med denne polymeren.

Figur 18. Del av en konjugert struktur med alternerende enkle og doble bindinger.

I USA gjentok to industrikjemikere, Donald Berets og Dorian Smith, syntesen av det sorte pulveret. De presset det sammen i en pellet og målte den elektriske ledningsevnen. De fant at denne syntetiske organiske polymeren var mer en halvleder enn en leder, men den var iallfall ikke en elektrisk isolator slik som polyetylen. Videre viste de at ledningsevnen kunne økes ved å utsette pelleten for joddamp, og ved å utsette den for tørr ammoniakkdamp kunne ledningsevnen senkes.

I 1970 polymeriserte Hideki Shirakawa i Japan polyetyn i form av en film. Etter hvert ble det slått fast at dersom polyetyn ble produsert ved en temperatur på omkring -70 °C (203 K) hadde filmene en gyllen metallglans, men var elektriske isolatorer. Her var alle dobbeltbindingene cis (med hydrogenatomene på samme side av hver dobbeltbinding) som vist på figur 19(b). Dersom en prøve ble varmet opp til romtemperatur, fant man at det skjedde to ting

• molekylet forandret seg fra cis til transkonformasjon, og
• antallet mobile elektroner i materialet økte, slik at det forandret seg fra en isolator til en halvleder.

19 (a). Fragment av en trans-polyetynkjede

19 (b). Fragment av en cis-polyetenkjede

Ved å utsette denne organiske halvlederfilmen for oksidasjonsmidler kunne ledningsevnen økes til den samme som for metaller.

Dette var en spennende oppdagelse. I en enkel organisk polymer hadde vi et stoff som kunne varieres etter ønske fra en elektrisk isolator via en halvleder til en metallisk leder. Ledningsevnen kunne variere med en faktor på 1019 Denne enorme fleksibiliteten førte til alle slags innretninger som ble demonstrert i laboratorier på 1980- tallet. Elektriske batterier, transistorer, elektrooptiske brytere og maskiner for høyhastighets billedbehandling ble laget i rask rekkefølge.

Andre interessante konjugerte materialer har blitt utviklet, slik som polypyrroler og polytiofener, se figur 20. Store elektronikkonsern har nå vist at det kan lages rent organiske elektroniske kretser og disse kan etter hvert finne veien inn i billige forbruksartikler som smartkort og sikkerhetsmerking.

Strukturen for polytiofen (til venstre) og polypyrrol (til høyre)

Lysemitterende polymerer

En kveld i Cavendish Laboratory i Cambridge, England la en student merke til at en del av forsøksoppsettet hans lyste i mørket. Ved nærmere undersøkelse viste det seg at
lyskilden var en film av syntetisk polymer som ble brukt som isolerende lag i en elektrisk innretning. Polymeren var et hydrokarbon, se figur 21.

Figur 21. Den elektroluminiscente polymeren som brukes til å lage lysemitterende dioder.

Forskningsgruppen som studenten tilhørte kunne raskt fastslå at dette materialet viste det interessante fenomenet som kalles elektroluminescens, det vil si at det sendte ut lys når en film av materialet ble satt under spenning. Det er nå funnet mange andre materialer som viser dette fenomenet, og ved å velge de riktige kjemiske strukturene er det mulig å tilpasse fargen på det emitterte lyset. En enkelt lagdelt struktur av elektrisk ledende glass, elektroluminescent polymerfilm og en metallisk elektrode utgjør en enkel lysemitterende diode (LED). Disse innretningene arbeider ved lav spenning (6 til 12 V) og har lang levetid.

Noen av mulighetene man har med polymerer. Mulighetene er enorme. Ved å lage elektrodene i mønstre, kan det lages bilder, og rask veksling mellom flere får bildene til å bevege seg. I prinsippet har vi en enkel hydrokarbon-polymer som kan virke som det aktive materialet i hjertet av billeddannende teknologi (displayteknologi) og muligens endatil som kjernen i flate TV-skjermer. Det er faktisk allerede laget prototyper på dette.

Fremtiden

Hvordan vil polymerkjemien påvirke våre liv i det 21. århundret? Vi har sett hvordan polymerene har blitt utviklet i løpet av de siste 50 årene fra enkel polyetylen til ledende, metall-lignende materialer. I fremtiden kan vi forvente å se polymerer med hittil ukjente egenskaper og anvendelser. I laboratoriene sine har kjemikerne og fysikerne allerede vist oss plaster som når de blir utsatt for en elektrisk spenning, kan:

• forandre form
• forandre optiske egenskaper som farge eller gjennomsiktighet, eller
• forandre mekaniske egenskaper som viskositet og strekkstyrke.

Plaster som brukes til å lage halvlederlasere, til å kontrollere medisiner som frigjøres langsomt i kroppen, til å lagre informasjon eller oppfører seg som selvreparerende eller selvformende materialer er også reelle muligheter. Disse spennende nye «smarte» materialene vil sikkert virke like mye inn på våre fremtidige liv som de første syntetiske
polymerene har gjort.