Polimery są to związki wielkocząsteczkowe, o makrocząsteczkach zbudowanych z powtarzających się elementów struktury, zwanych merami. Natomiast polimery przewodzące są to substancje typu polimerów zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego, czyli wykazujące duże przewodnictwo elektryczne. Wspólną cechą polimerów przewodzących jest posiadanie układów sprzężonych wiązań podwójnych. Z punktu widzenia fizykochemicznego to, co je wyróżnia to niski potencjał jonizacji, wysokie powinowactwo elektronowe oraz niska energia przejść elektronowych [2]. Polimery mogą być łatwo i w sposób odwracalny utleniane i redukowane. Jeżeli w wyniku reakcji utlenienia z poliacetylenu usuniemy część elektronów to polimer zaczyna przewodzić wykazując przewodnictwo dziurowe (typu p). Gdy zredukujemy polimer chemicznie dodając mu elektronów, otrzymujemy przewodnik elektryczny (typu n). W trakcie tych procesów polimery zmniejszają swoją oporność elektryczną od kilku do kilkunastu rzędów wielkości i często osiągają przewodnictwo bliskie przewodnictwu metali. W trakcie procesów redoks matryca polimerowa musi być ostatecznie elektrycznie obojętna, dlatego np. w procesie utlenienia muszą być do niej wprowadzone aniony, które kompensują ładunek dodatni. Proces ten nazywamy domieszkowaniem.
Za przewodnictwo w polimerach przewodzących odpowiedzialne są następujące struktury [3,4]:
- Solitony - przemieszczające się wzdłuż łańcucha niesparowane elektrony lub ładunki dodatnie (ujemne) wraz z zaburzeniem rozkładu gęstości elektronowej wokół nich;
- Polarony - kationorodniki lub anionorodniki;
-
Rysunek numer 1 pokazuje wzory tych nośników na przykładzie poliacetylenu (PA) oraz poli(p-fenylenu) (PPP):
Solitony mogą być nośnikami prądu tylko w poliacetylenie. W przypadku innych polimerów, np. w poli(p-fenylenie) (PPP) czy polianilinie (PANI), przemieszczanie się solitonu prowadziłoby do wzrostu liczby pierścieni chinoidowych i w rezultacie do wzrostu energii, co nie jest możliwe. W związku z tym w polimerach tego typu nośnikami prądu mogą być polarony lub bipolarony [4,5]. Ładunek jest przenoszony dzięki tym nośnikom nie tylko wzdłuż łańcucha polimeru, ale także pomiędzy poszczególnymi łańcuchami. Polaron powstaje na skutek usunięcia jednego elektronu z pasma walencyjnego. Powstały ładunek jest częściowo zdelokalizowany a rozciąga się poprzez kilka monomerów. Usunięcie kolejnego elektronu znajdującego się w innym segmencie łańcucha polimeru zawierającego polaron powoduje powstanie innego niezależnego polaronu. Gdy usuniętym elektronem byłby istniejący już wcześniej niesparowany elektron to powstanie bipolaron.. Bipolarony mogą powstać z dwóch polaronów w dwóch sąsiednich pierścieniach. Wówczas ich spiny parują się a łączny ładunek wynosi +2 i jest przechowywany w sieci polimeru. Przenoszony ładunek może być konsekwencją domieszkowania lub utleniania polimeru. Często zdarza się, że dla danego polimeru może występować więcej niż jeden typ przenoszenia ładunku. Zależy to od stanu utlenienia polimeru i od typów niezajętych stanów elektronowych,
które kierują przewodnictwem. Przeskok polaronów i elektronów pomiędzy sąsiednimi, niezajętymi stanami elektronowymi był proponowany jako sposób przenoszenia ładunku w przewodnikach typu polipirol. Znajdujące się w bipolaronie dwa ładunki dodatnie nie są niezależne, lecz występują jako para, która może się przemieszczać wzdłuż łańcucha dzięki przegrupowaniu podwójnych i pojedynczych wiązań[4,5,6].
które kierują przewodnictwem. Przeskok polaronów i elektronów pomiędzy sąsiednimi, niezajętymi stanami elektronowymi był proponowany jako sposób przenoszenia ładunku w przewodnikach typu polipirol. Znajdujące się w bipolaronie dwa ładunki dodatnie nie są niezależne, lecz występują jako para, która może się przemieszczać wzdłuż łańcucha dzięki przegrupowaniu podwójnych i pojedynczych wiązań[4,5,6].
Literatura:
1. J.A. Bechamp,(1954)
2. M. Łapkowski, „Synteza, wlaściwości i modyfikacja polimerów przewodzących – aspekty elektrochemiczne i spektroskopowe”, Zeszyty Naukowe Nr 1056, Politechnika Śląska, Gliwice(1990)
3. Praca zbiorowa pod redakcją Z. Florjańczyka i S. Penczka; „ Chemia polimerów tom III. Polimery naturalne i polimery o specjalnych właściwościach”, Politechnika Warszawska, Warszawa(1998)
4. R.R. Chance, D.S. Boudreaux, J.L. Brédas, R. Silbey, „Handbook of Conducting Polymers”, str 825-855, M. Dekker, N. York(1986)
5. J.L. Brédas, G.B. Street, „Polarons, Bipolarons and Solitons in Conducting Polymers, Acc.Chem.Res.”,18(1985)309
6. Katarzyna Zyga; „Zastosowanie powłok polianiliny do ochrony stali przed wpływem korozji”, praca magisterska , Uniwersytet Łódzki, Łódź (2002)
