پلیمرهای رسانا

در سال ۱۹۷۹ برای اولین بار، دیاز و همکارانش پلی پروپیل را به عنوان پلیمری با خاصیت رسانایی معرفی کرد. این یافته‌ها در سال ۲۰۰۰جایزه نوبل شیمی را برای شیراکاوا، مک دیارمید، هیگر به دنبال داشت. از جمله متداول‌ترین پلیمرهای رسانا می‌توان به پلی تیوفن، پلی آنیلین، پلی پروپیل، پلی پارافنیلن اشاره کرد. خصوصیت الکتریکی، الکتروشمیایی، نوری پلیمرهای رسانا، آن‌ها را به عنوان مادهای برای کاربرد در پوشش‌های ضد الکتریسیته ساکن، پوشش‌های ضد خوردگی، پوشش‌های برای جذب امواج ماکروویو، بیوحسگرها تبدیل کرده‌است. خواص رسانایی پلیمرها به میزان دلخواه قابل تنظیم است به طوری که می‌تواند در حد رساناها یا نیمه رساناها باشد. این پلیمرها از نظر ساختاری در زنجیرهٔ اصلی خود دارای باند دوگانه به صورت یک در میان است به طوریکه طی فرایند دوپاند شدن خواص رسانایی آن‌ها افزایش می‌یابد.
اصطلاح دوپه کردن از لغت‌نامه اجسام نیمه رسانا گرفته شده‌است زیرا مواد پذیرنده و دهنده الکترون می‌توانند موجب افزایش رسانایی پلیمرهایی با سیستم مزدوج شوند. اصطلاح دوپه کردن مترادف اکسایش یا کاهش است. شکل فضایی و نیروهای بین زنجیره‌های ضعیف، نفوذ یون دوپه‌کننده را به میان زنجیره‌های پلیمر ممکن می‌سازد. تنها دوپه کننده‌هایی مورد استفاده قرار می‌گیرند که همراه با ایجاد پایداری شیمیایی توانایی رسانندگی الکتریکی را نیز بالا برند. این ویژگی تعداد دوپه کننده‌های مفید را به انواع I2 و FeCl3 برای الکترون پذیرنده‌ها و Li, Na وk برای الکترون دهنده‌ها محدود می‌سازد
دوپه کردن پلیمر سبب می‌شود که:
انتقال بار صورت گیرد (توسط اکسایش یا دوپه کردن نوع p و کاهش یا دوپه کردن نوع n) یک بار مخالف به درون شبکه پلیمر نفوذ کند.
بتوان به‌طور همزمان با عمل دوپه کردن پتانسیل شیمیایی را کنترل کرد.

سولیتون، پلارون و بای پلارون در پلیمرهای رسانا

پلیمرهایی با آرایش مزدوج اتم‌های کربن با هیبریدشدگی  دارند که می‌توان آن را هیبرید شدن کربن  همراه با یک اربیتال  برای تشکیل پیوندهای  در نظر گرفت. به این ترتیب، یک الکترون ناپیوندی در اربیتال  وجود دارد که سامانه  مزدوج را در پلیمر به وجود می‌آورد. برای نمونه: در پلی استیلن این سامانه  مزدوج، که از الکترون‌های ناپیوندی به وجود می‌آید، نیمه پر است. در شبکه پلیمری، پیوندهای درون زنجیری قوی و برهم کنش‌های بین زنجیری ضعیف اند؛ به عبارت دیگر، الکترون‌های  تنها در طول زنجیر پلیمر نامستقراند، بنابراین از دیدگاه الکترونی شبه تک بعدی هستند.
اگر در ساختار زنجیر پلیمر، الکترون‌های  می‌توانستند آزادانه در طول زنجیر حرکت کنند، به عبارتی همه پیوندها طولی یکسان داشتند (کوتاه‌تر از پیوند ساده و بلندتر از پیوند دوگانه)، پلیمر می‌توانست مانند یک فلز رسانایی الکتریکی بالایی داشته باشد، ولی وضعیت الکترون‌های  و طول پیوندها به این صورت نیست.
در چنین ساختارهای شبه تک بعدی معمولاً یک واپیچیدگی ساختای از اتم‌های زنجیر به چشم می‌خورد؛ در نتیجه هر اتم کربن به اتم همسایه نزدیک تر و هم‌زمان از همسایه دیگر دور می‌شود.
در اثر این واپیچیدگی انرژی ترازهای  کاهش و از سوی دیگر انرژی کشسانی پلیمر افزایش می‌یابد. رقابت این دو عامل سبب می‌شود طول پیوند به اندازه تعادلی برسد که برای نمونه: برای پلی استیلن ۰٫۰۳–۰٫۰۴ است. مستقر شدن الکترون‌ها و پیوندهای کوتاه و بلند موجب می‌شود میان نوار رسانایی و نوار والانس شکاف انرژی به وجود آید. در اثر ایجاد این شکاف، پلی استیلن نیمه رسانا می‌شود. اگر در زنجیره پلیمر اتم‌ها (یا مونومرها) با شماره‌های ۱٬۲٬۳ و … مشخص شوند، می‌توان پیوندها را به دو صورت گوناگون ۱=۲–۳=۴–۵=۶ و ۱–۲=۳–۴=۵–۶ در زنجیره قرار داد. این دو ساختار پیوندی را به ترتیب فاز الف و ب می‌نامند. روشن است اگر مونومرها یکسان و طول زنجیره‌ها برابر باشد، انرژی این ساختاهای پیوند یکسان خواهد بود؛ به عبارت دیگر در حالت پایه، دو تراز با انرژی یکسان وجود دارند.
در این نیمه رساناها، افزون بر برانگیختگی الکترون-حفره، گونه ای تازه از برانگیختی نیز وجود دارد که همان دیواره ای است که منطقه مربوط به هر یک از فازهای الف و ب را در زنجیره پلیمر از یکدیگر جدا می‌کند و «بی قوارگی» نامگذاری می‌شود. در آغاز تحلیلی برای ضخامت این بی قوارگی ارائه نشد، ولی استدلال می‌کردند که ضخامت این دیواره نزدیک به چند اتم می‌رسد. بعدها مشخص شد که ضخامت واقعی این دیواره نزدیک به 14aکه a تصویر رئوس اتم کربن مجاور در امتداد زنجیر پلیمری است.

روشهای رسانا کردن پلیمرها

برای رسانا کردن این مواد چند روش وجود دارد:
· ایجاد پلیمری با زنجیر اصلی نیمه رسانا با پیوند دوگانه یک در میان که این افزایش رسانایی با فرایند دوپه کردن امکان‌پذیر است.
· افزودن ماده رسانای الکتریسیته به آمیزه پلیمری (کامپوزیت‌های پلیمری رسانا)
· قرار دادن پوشش رسانای الکتریسیته بر روی سطح پلیمر

تفاوت‌های اصلی پلیمرهای ذاتاً رسانا با پلیمرهای معمولی

· شکاف انرژی آن‌ها کوچک است (تقریباً از ۱ تا ۳٫۵ الکترون ولت) بنابراین برانگیختگی به انرژی کمتر نیاز دارد و همانند مواد رسانا رفتار می‌شود.
· می‌توان آن‌ها را با دوپه کننده‌های مولکولی یا اتمی اکسید یا احیا کرد.
· جنبش حاملان بار در رسانا به اندازه کافی زیاد است به همین دلیل رسانایی الکتریکی در آن‌ها دیده می‌شود.
· ویژگی‌های الکتریکی و نوری این‌گونه مواد به ساختار الکترونیکی و شیمیایی واحدهای تکراری در آن‌ها بستگی دارد.