by 
Polyme còn được gọi là chất dẻo, chất nhựa có nhiều trong thực vật, động vật nhưng đến năm 1920 các nhà hóa học mới biết cách tổng hợp. Đó là những chuỗi gồm hàng nghìn, hàng chục nghìn phân tử đơn vị giống nhau gọi là monome. Nếu A là phân tử đơn vị, tức là monome thì chuỗi polyme có dạng: AAAAAAAAAAAAAA
Bản thân A là gồm một số nguyên tử liên kết lại bằng liên kết hóa học còn chuỗi polyme gồm các monome A liên kết lại cũng bằng liên kết hóa học.
Chế tạo polyme là điều khiển các phản ứng hóa học sao cho các nguyên tử tự liên kết lại để tạo thành monome và các monome tự liên kết lại để trở thành polyme.
Nếu A là phân tử etylen thì polyme có tên là polyetylen (PE), nếu A là phân tử propylen thì polyme có tên là polypropylen (PP); nếu A là venychloride thì polyme có tên là polyvenycloride (PVC)
Có thể có polyme với hai loại monome là A và B liên kết với nhau một cách hỗn loạn:
AAABABBABABAABA ...
Cũng có thể liên kết theo từng mảng:
AAAAAA BBBBB
Hoặc liên kết trật tự: ABABABABAB
Polyme có hai monome gọi là copolyme. Polyme rất đa dạng dễ điều khiển để có được những loại polyme có các tính chất mong muốn. So với kim loại (và hợp kim) polyme có những ưu điểm:
- Không quá cứng, dẻo, dễ làm thành tấm mỏng, dễ tạo dáng, nhẹ
- Cách điện.
Kết hợp như ở dây điện, lõi dùng dây đồng để dẫn điện tốt, bao quanh dây đồng là vỏ PVC cách điện tốt nhưng mềm dễ uốn là cách kết hợp hoàn hảo trong kỹ thuật điện.
Tuy nhiên sang nửa sau của thế kỷ 20 nhiều yêu cầu của công nghệ cao đòi hỏi phải có polyme dẫn điện.Đó là vì kim loại dẫn điện tốt nhưng cứng không dẻo, khi làm thành lá mỏng dễ bị rạn nứt khi uôn cong và đặc biệt là không cho ánh sáng truyền qua.
Yêu cầu dẫn điện mà trong suốt không có kim loại hợp kim nào đáp ứng được thực ra có một chất vừa trong suốt vừa dẫn điện là ITO (indium tin oxide), có thế sử dụng làm điện cực trong suốt nhưng là oxyt, không thật mềm dẻo.
Cho đến giữa những nàm 1970 ít người tin polyme có thể dẫn điện được. Người ta vẫn nghĩ rằng muốn dẫn điện phải có điện tử tự do mà xét về mặt cấu trúc, polyme không thể có được. Nhưng những suy nghĩ trên bị đảo lộn do một số sự kiện nghe ra có vẻ bất ngờ.
2. Phát hiện polyme dẫn điện.
Số là đầu những năm 1970 ở Nhật có giáo sư Shirakawa Hideki dạy ở Học viện Công nghệ Tokyo chuyên gia về tạo ra polyacetylen. Ông có phương pháp tạo ra màng polyacetylen bằng cách thổi khí acetylen qua một bình kín trong có chất xúc tác và biết cách điều khiển để có được polyacetylen kiểu trans và kiểu cis.
Một nghiên cứu sinh của Shirakawa người Hàn Quốc khi làm thí nghiệm sơ suất pha chất xúc tác với nồng độ 1000 lần lớn hơn theo quy định. Kết quả cũng có được trong bình kín màng PA nhưng màu lại không đen mà sáng như bạc. Shirakawa rất thích thú với kết quả thí nghiệm kỳ lạ này. Đo đạc ông thấy đây là màng PA kiểu trans. Lặp lại thí nghiệm với nồng độ chất xúc tác thật cao như nghiên cứu sinh đã nhầm làm, ngoài kết quả cũ, ông thấy nếu tăng nhiệt độ lên cao hơn, màng PA thu được có màu sáng như đồng và kiểm tra thì đó là màng PA kiểu cis.
Màng PA màu sáng như bạc hoặc đồng gợi ý có thể đó là màng PA dẫn điện. Tuy nhiên đo đạc thì thấy các màng này không dẫn điện đáng kể. Các kết quả này bất ngờ về màu sắc của màng PA gây tò mò nhưng rồi cũng không đưa đến đâu, không công bố được gì.
Nhưng một năm sau, một sự tình cờ khác lại xảy ra ở Mỹ có nhà hóa học MacDiarmid chuyên nghiên cứu các polyme vô cơ sulfua nitrid (SN)X. Màng này cũng có màu sáng như kim loại. Sang Tokyo dự hội nghị tình cờ lúc uống cà phê giải lao MacDiarmid biết được Shirakawa cũng làm được polyme sáng như kim loại nhưng là màng hữu cơ polyacetylen. Ông mời Shirakawa sang Mỹ một năm hợp tác nghiên cứu về loại màng polyme đặc biệt này.
Tại Đại học Pennsylvania ở Mỹ, hai nhà hóa học nghiên cứu cách thay đổi màng polyme ánh bạc bằng cách làm oxy hóa trong hơi iốt (I2)
Mùa hè năm 1977, ba nhà khoa học nói trên cùng đồng nghiệp công bô bài báo “Tổng hợp polyme hữu cơ dẫn điện”. Đây là công trình cơ bản đầu tiên mở đường cho việc chế tạo polyme dẫn điện và từ đấy nghiên cứu về polyme dẫn điện phát triển rất mạnh mẽ đưa đến nhiều ứng dụng rất thực tế và rộng rãi.
Năm 2000 ba nhà khoa học Alan Heeger, MacDiarmid và Shirakawa Hideki được tặng giải Nobel Hóa về chế tạo được polyme dẫn điện.
Đây là giải Nobel Hóa học nhưng nội dung vật lý ở đây khá cơ bản, mở đường cho những hiểu biết về cơ chế dẫn điện ở polyme.
Hình 1. Ba nhà khoa học được giải Nobel Hóa năm 2000 về Polyme dẫn điện (Từ trái qua phải: Alan MacDiarmid (Hóa học. Mĩ); Shirakavva (Hóa học, Nhật Bản); Alan Heeger (Vật lý. Mĩ)
3. Cơ chế dẫn điện của polyme.
Muốn dẫn điện được phải có hạt mang điện (hạt tải) chuyển động khi có điện trường tác dụng. Vậy ở polyme dẫn điện, hạt tải điện là gì?
Ta sẽ tìm hiểu vấn đề này qua thí dụ cụ thể về polyacetylen pha tạp iốt như ba tác giả được giải Nobel hóa đã làm. Polyacetylen ánh bạc như Shikarawa đã chế tạo có cấu trúc như sau:
Hình 2. Cấu trúc polyacetylen, thường viết gọn là (C2H2)n.
Nguyên tử C có tất cả 6 điện tử, 2 điện tử trong cùng (lớp 1s) luôn ổn định ở lớp đó. Đối với 4 điện tử còn lại thì 2 điện tử ở lớp con tiếp theo 2s và 2 điện tử ở lớp con 2p. Các điện tử ở 2 lớp con này xa hạt nhân, quỹ đạo không thật ổn định, khi có nguyên tử khác lại gần thì quỹ đạo có thể biến đổi để tham gia liên kết. Cụ thế trong trường hợp C ở PA có sự biến đổi về quỹ đạo như sau:
Quỹ đạo của 2 điện tử ở 2p lai với quỹ đạo của 1 điện tử ở 2s tạo ra 3 quỹ đạo lai sp2. Ba quỹ đạo lai này nằm trong cùng một mặt phẳng tạo thành ba góc 120°.
1 điện tử ở 2s nhảy lên 2p tạo ra một quỹ đạo độc lập (không lai) theo hướng vuông góc với mặt phẳng chứa ba quỹ đạo lai.
Nói đến quỹ đạo điện tử trong nguyên tử cần hiểu rằng đó không phải là đường đi của một chất điểm mà là một đám mây điện tử (điện tích điện tử nhân với xác suất tìm được điện tử trong không gian). Khi mây điện tử của hai nguyên tử gần nhau có chỗ phủ lên nhau thì đó là hai nguyên tử góp chung điện tử để liên kết.
Ở xương sống của phân tử PA, mỗi nguyên tử C liên kết với ba nguyên tử ở gần đó như sau bằng 4 liên kết.
- Liên kết đơn C - H : mây điện tử sp2 của điện tử ở C phủ mây điện tử của H.
- Liên kết đơn C - C: mây điện tử lai sp2 của C phủ mây điện tử sp2 của nguyên tử C bên cạnh
- Liên kết kép C = C. gồm hai liên kếp đơn:
- Một liên kết đơn là do hai mây điện tử sp2 của hai nguyên tử C có chỗ phủ lên nhau.
- Một liên kết đơn là do hai mây điện tử 2p của hai nguyên tử C có chỗ phủ lên nhau.
Điều cần chú ý là các liên kết bằng quỹ đạo (mây điện tử) lai đều theo hướng trục nối hai hạt nhân nguyên tử mây, điện tử phủ lên nhau cũng theo hướng này nên tương đối bền chặt. Người ta gọi đó là liên kết σ (sigma). Riêng liên kết bằng các điện tử có quỹ đạo pz vuông góc với mặt các nguyên tử cũng là mặt các quỹ đạo sp2 thì phần phủ lên nhau nằm ở một bên, nên liên kết này lỏng lẻo hơn. Người ta gọi đó là liên kết π(pi). Điện tử tham gia vào liên kết π dễ bị lôi kéo ra khỏi quỹ đạo của mình người ta nói là không thật định xứ. Như vậy xét trong chuỗi các nguyên tử C làm xương sống, theo cấu hình liên kết liên hợp thì đối với mỗi nguyên tử C trong 4 điện tử của lớp ngoài (2 lớp con 2s và 2p) có 3 điện tử tham gia vào liên kết σ rất mạnh, khó tách khỏi quỹ đạo còn 1 điện tử tham gia vào liên kết π là không định xứ, dễ tách ra khỏi quỹ đạo của mình.
Hình 3. Thí dụ về liên kết kép C = C: mây điện tử lai s2p2 của hai nguyên tử c phủ nhau tạo liên kết σ (trái). Mây điện tử p của hai nguyên tử C phủ lên nhau ở một bên tạo liên kết π (phải), cả 2 liên kết σ và π tạo thành liên kết kép C = C. Hai điện tử của liên kết π dễ bị tách ra, không thật định xứ.
Lý thuyết đầy đủ về tinh thể một chiều này, cho thấy khi bị pha tạp mạnh (nhiều I3 ̄) các polaron (+) và các điện tử (•) có thể chuyển động theo kiểu cách riêng tạo thành polyme dẫn điện.
Hình 4. Cơ chế dẫn điện ở polyme.
a. Xương sống gồm các nguyên tử C liên kết liên hợpb. I3 lấy một điện tử của liên kết π tạo ra anion I3 ̄ (không vẽ trên hình); polaron dương (+) và điện tử không định xứ ( - ).
c - e. Cả plaron và điện tử không định xứ cùng chuyến động
4. Ứng dụng của polyme dẫn điện.
Từ khi bắt đầu chê tạo được polyme dẫn điện năm 1977, vật liệu này được nghiên cứu rất mạnh mẽ và lập tức đã có nhiều ứng dụng rộng rãi. Có thê kê một vài ứng dụng.
a. Ứng dụng tính dẫn điện của polyme.
Nhiều máy móc điện tử đặc biệt là máy tính luôn phát ra sóng điện từ thường là ở tần số radio và vi ba. Các sóng này gây nhiễu cho các máy chung quanh vì đa số vỏ của chúng là vỏ nhựa. Người ta phủ lớp polyme dẫn điện vào bên trong vỏ nhựa của các máy bề mặt dẫn điện bên trong vỏ sẽ hấp thụ các sóng này.
Để cho nhẹ thân máy bay có nhiều chỗ làm bằng composit và đây là chất cách điện nên điện tích không thoát được khi máy bay tích điện do cọ xát với không khí, khi gặp mây tích điện... Người ta phủ những phần không dẫn điện của máy bay bằng polyme dẫn điện để tránh các hiện tượng trên.
b. Polyme phát quang.
Tuy không phải dẫn điện bằng điện tử như ở các kim loại và bán dẫn, với cách dẫn điện bằng polaron, bipolaron cũng có thể chế tạo polyme dẫn điện tương tự như loại p, loại n ở bán dẫn.
Từ đó có thể chế tạo các điôt phát quang bằng polyme bán dẫn điện thường gọi là OLED tức là LED hữu cơ (organic light emitting diode).
Màn hình OLED hiện nay rất được ưa chuộng vì ánh sáng các màu phát ra rất mạnh, không bị hạn chế về góc nhìn như ở màn hình LCD và nhất là mềm mại, dễ uốn.
Cũng vậy dùng OLED làm đèn thắp sáng có nhiều ưu điểm so với cách thắp sáng bằng LED.
c. Ứng dụng tính chất điện hóa.
Polyme dẫn điện có hoạt tính điện hóa. Nhờ đó có thể dùng làm chất chống ăn mòn, làm ắc quy nhỏ nhẹ nhưng dung lượng lớn, làm siêu tụ điện chứa được nhiều điện, nạp nhanh nhưng không bao giờ hỏng.
d. Ứng dụng làm cảm biến.
Polyme dẫn điện thay đổi mạnh các tính chất nếu đưa vào đó các ion từ bên ngoài và sự thay đổi tính chất rất dễ phát hiện bằng cách đo điện. Từ đây phát triển các cảm biến ion rất nhạy kể cả cảm biến để biết mùi như ở mũi chó.
Polyme dẫn điện cũng thay đổi thể tích, phụ thuộc bị oxy hóa như thế nào. Do đó có thể dùng polyme dẫn điện để biến đổi cơ thành điện và ngược lại.
Khó kể hết những ứng dụng của polyme dẫn điện. Trong việc tìm ra polyme dẫn điện có nhiều yếu tố tình cờ, ngẫu nhiên. Tuy nhiên đó là sự tình cờ giữa những người có kiến thức cơ bản tốt và trong một xã hội thông tin rộng rãi và nhanh chóng.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: