منابع پایان نامه ارشد درمورد اکسیداسیون، پردازش اطلاعات، مکانیسم انتقال، مبانی نظری

یون روی از آب در غلظت اولیه ۳۰ ppm …………………………………….87

فصل اول
مبانی نظری

۱-۱ مقدمه
پلیمرهایی که دارای فعالیت الکتروشیمیایی هستند بر اساس مدل انتقال بار در آن ها به دو دسته بزرگ تقسیم می شوند. گروه اول شامل پلیمرهایی هستند که انتقال بار در آن ها از نوع یونی می باشد و اغلب الکترولیت های پلیمری۱ نامیده می شوند. گروه دیگر شامل پلیمرهایی است که مکانیسم انتقال بار در آن ها اساسا الکترونیکی است و عموما پلیمرهای رسانا۲نامیده می شوند [۴].
الکترولیت های پلیمری عموما به عنوان جامدهای ماکروپلیمری قطبی که در یک یا چند نوع نمک حل می شوند، توصیف می شوند. یک مثال عمده در این مورد، مخلوط اکسید پلی اتیلن و نمک های لیتیم (LiX) می باشد. پلیمرهای رسانا شامل پلیمرهایی با سیستم ? مزدوج هستند که ساختمان الکترونیکی شان به طور مشخص با فرایند های شیمیایی و الکتروشیمیایی اصلاح می شود و عموما تحت عنوان فرایند های دوپه شدن انجام می گیرد. مثال های عمده در این مورد پلی پیرول، پلی تیوفن وغیره است [۵]. خواص پلیمرهای رسانا، به ویژه رسانایی شان به شیوه سنتز آن ها بستگی دارد[۶].
پلیمرهای رسانا مانند پلی پیرول، پلی تیوفن و پلی آنیلین ساختمان دینامیک پیچیده ای دارند، که امکان استفاده از آن ها در بسیاری از تحقیقات مانند مواد هوشمند را سبب شده است[۷-۱۱].
امکان تولید پلیمرهای رسانا با خواص گوناگون وجود دارد. به عنوان مثال، با دستکاری خواص شیمیایی می توان موادی ساخت که آنیون های ساده را به دام اندازد و یا مواد بیوفعال ساخت. با تغییر خواص الکتریکی نیز می توان موادی با هدایت الکتریکی متفاوت و یا خواص اکسایشی و کاهشی گوناگون ساخت. پس از سنتز، خواص این مواد را می توان با فرایندهای اکسایشی بهبود بخشید. استفاده از محرک های الکتریکی سبب ایجاد تغییرات شدیدی در خواص شیمیایی، الکتریکی و مکانیکی پلیمرهای رسانا می شود. این خواص پیچیده را تنها با فهم درست از موارد زیر می توان کنترل نمود. اول، طبیعت فرایندی که در طی آن پلیمررسانا تولید می شود و دوم، کدام یک از خواص ذکر شده با محرک الکتریکی تغییر خواهد کرد. در این بررسی، خواص دینامیکی پلیمرهای رسانا مورد توجه و بررسی قرار گرفته است، به دلیل همین توانایی کنترل آن ها در شرایط متفاوت است که منجر به تولید و توسعه سیستم های مواد هوشمند می شود. البته آرایش مولکولی که برای رسیدن به خواص شیمیایی و الکتریکی مطلوب، حاصل می گردد خواص مکانیکی هر ساختار را نیز تعیین می کند. هر سه این خواص (شیمیایی، الکتریکی و مکانیکی) به طور پیچیده ای با هم در ارتباطند[۸-۱۲].
روش تولید نیز بسیار مهم است، که تعیین کننده شکل فیزیکی ماده می باشد. امروزه گستره وسیعی از فرایندها که به تولید مواد هوشمند واقعی می انجامد وجود دارد. هدایت پلیمرهای رسانا به عنوان یکی از نقاط عطف در تحقیقات مواد هوشمند به شمار می رود. پلیمرهای رسانا خواص مطلوب زیر را دارند:
به آسانی در اندازه ملکولی برای تشخیص محرک ها ساخته می شوند.
به دلیل رسانا بودن، به هدایت الکتریکی اطلاعات کمک می کنند.
همانگونه که مناسب پردازش متمرکز هستند، برای بکار اندازی مکانیزم های پاسخدهی نیز مناسب هستند.
گستره وسیعی از پلیمرهای رسانا در دسترس هستند [۸-۱۲].
پلیمرهایرسانامزیت عملی و منحصر به فردی دارند. این واقعیت که آن ها رسانای الکتریسیته هستند بدین معنی است که می توان از آن ها در ساخت وسایل الکترونیکی (کامپیوترها و …)که بخشی از زندگی شده اند، استفاده نمود. ) جدول۱-۱(
موسسه تحقیقات پلیمر های هوشمند۳ترکیبات منحصر به فرد پلیمرهای الکترواکتیو هادی را به دست آورده است که بر پایه پیرول، آنیلین و تیوفن می باشد. در این ترکیبات محل تشخیص محرک ها و مکانیزم های پاسخدهی گوناگون می توانند به آسانی با هم جمع شوند که ذاتا توانایی پردازش اطلاعات بالایی دارد.بی شک پلیمرهای رسانا دسته ای از مواد هستند که انتخاب شده اند تا نقش مهمی در علم مواد هوشمند داشته باشند. همان گونه که اجمالا توضیح داده شد، خواص این مواد متنوع و تطبیق پذیر است و در صورت نیاز در رفتار مواد هوشمند، دارای پویایی است [۸-۱۲].
جدول۱-۱ تغییرات خواص در برابر محرک های الکتریکی که سبب تغییر خاصیت اکسایشی و کاهشی پلیمر رسانا می شود.
خاصیت
تغییرات نوعی
توانایی عمل
هدایت
از ۷-۱۰ تا S/cm 103
اجزاء الکترونیکی و سنسورها
حجم
۳ درصد
محرک های الکترومکانیکی
رنگ
تغییر ۳۰۰ نانومتر در باند جذب
نمایشگرها، شیشه های هوشمند
مکانیکی
Ductile-Brittle transition

نفوذ ملکولی
از صفر تا s-1cm-2mol8-10در
محلول ها
غشا

در میان بسیاری از پلیمرهای رسانا،پلی استیلن، پلی آنیلین، پلی پیرول، پلی تیوفن، پلی فنیل سولفید و پلی فنیلن وینیلن بیش از سایرین مورد مطالعه قرار گرفته اند. در میان پلیمرهای نامبرده نخست پلی آنیلین تهیه شد.
پلی آنیلین به چهار صورت اکسایشی با رسانندگی ۱۱-۱۰ زیمنس بر سانتی متر تا بیش از ۱۰۰ زیمنس بر سانتی متر وجود دارد. ولی تنها یک شکل آن موسوم به نمک زمردین از خاصیت رسانایی برخوردار است. این نوع پلی آنیلین به راحتی حتی با روش اکسایشی الکتروشیمیایی یا شیمیایی آنیلین در محیط های اسیدی آبی، با بهره گیری از اکسید کننده های متداول مانند آمونیم پروکسی دی سولفات تهیه می شود.
استحکام پلیمرهای رسانا
شیمیدانان کانادایی دردانشگاه مانیتوبا۴موفق شده اند روشی برای بالا بردن میزان استحکام مواد پلیمری که در صنایع الکترونیک مورد استفاده هستند ابداع کنند. به گزارش ایرنا حوزه الکترونیک پلیمر-بنیاد که در آن به جای استفاده از فلزات برای هدایت الکتریسیته از رشته های پلیمری استفاده می شود به واسطه آن که مواد پلیمری از استحکام برخوردار نیستند و بر اثر عبور جریان برق گرم می شوند و سختی و استحکام اولیه خود را از دست می دهند، رشد چندانی نداشته است. یکی از علل مقاومت کم رشته های پلیمری در برابر حرارت، موادی است که به عنوان ناخالصی به آن ها افزوده می شود تا بر میزان قابلیت هدایت برق در آن ها بیفزاید. میتوان با متصل کردن رشته های مولکول های پلیمر به هم بر میزان استحکام و سختی این مواد افزود اما اشکال این روش در آن است که پلیمر را به عایق الکتریسته مبدل می کند و مانع ازاستفاده از آن درصنایع الکترونیک می شود.
به نوشته نشریه علمی کمیکال ماتریالز۵ شیمیدانان دانشگاه مانیتوبا پلیمر تازه ای با استفاده از ماده شیمیایی موسوم بر اسید آنیلینی بورونیک تولید کردند که بسیار مستحکم است و خود قادر به افزودن ناخالصی به ساختار داخلی خود به منظور بالا بردن توان هدایت الکتریسیته است. برای تولید این نوع پلیمر اسید آنیلینی بورونیک حرارت داده می شود و این امر موجب تغییر ساختار شیمیایی این مولکول می شود و همچنین باعث می شود اتم های بورون باردار در درون ساختار مولکول تازه به صورت رشته های زنجیره ای به یکدیگر متصل شوند. این امر سبب می شود هم بر استحکام پلیمر افزوده شود و هم توانایی هدایت الکتریکی آن بالاتر برود.
۱-۲ تحقیقات آکادمیک پلیمرهای رسانا
از کشف این مواد در سال ۱۹۷۰، تحقیقات در زمینه پلیمرهای رسانا یکی از موضوعات اصلی مراکز علمی به شمار می رود. این تحقیقات تکیه گاهی برای توسعه صنایع محصولات پلیمر رسانا است و فهم بنیادی از شیمی، فیزیک و علم مواد را فراهم می کند.
مقالات ارایه شده در بیست و پنج سال گذشته بیانگر رشد زیاد تحقیقات از سال ۱۹۸۰ است. امروزه بیش از چهل مجله به صورت هفتگی مقالاتی در موضوع پلیمر رسانا را به چاپ می رسانند. تقریبا نیمی از مقالات در ارتباط با ساخت پلیمرهای رسانای جدید و یا اصلاح پلیمرهای موجود می باشد. بزرگترین بخش بعدی تحقیقات مربوط به فیزیک مکانیسم هدایت است؛ که در حدود ۲۰ درصد مقالات را به خود اختصاص داده است و مربوط به کاربرد پلیمرهای رسانا در باتری ها، سنسورها، غشاها و دیودهای پلیمری نورافشان۶ است.
این پلیمر ها همچنین قابلیت تحرک به وسیله الکترون را دارند و می توانند با اعمال مقدار کمی انرژی به حالتهای مختلفی درآیند. به عنوان مثال پلی پیرول و پلی تیوفن می توانند طبق واکنش زیر متحمل تغییرات اکسیداسیون و احیا گردند که باعث تغییرات مهمی در خواص فیزیکی و شیمیایی پلیمر می شوند.

شکل ۱-۱ : اکسیداسیون-احیا پلی تیوفن و پلی پیرول[۴]
۱-۳ دوپه کردن
اصطلاح دوپه کردن از لغت نامه اجسام نیمه رسانا گرفته شده است زیرا مواد پذیرنده و دهنده الکترون می توانند موجب افزایش رسانایی پلیمرهایی با سیستم ? مزدوج شوند. بنابراین عمل دوپه کردن فراتر از انحلال ساده یک ناخالصی در پلیمر است. به طور کلی پلیمرهایی که دارای سیستم ? مزدروج هستند می توانند به طور برگشت پذیر در دمای اتاق دوپه شوند. اصطلاح دوپه کردن مترادف اکسایش یا کاهش است و دوپه کردن پلیمر سبب می شود 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 به طور همزمان با عمل دوپه کردن پتانسیل شیمیایی را کنترل کرد.
دو خاصیت ساختاری مهم در پلیمر وجود دارد که عمل دوپه کردن پلیمر را آسان می سازد.
فضای شکل شناختی۷ زائد و نیروهای بین زنجیره های ضعیف، نفوذ یون دوپه کننده را به میان زنجیره های پلیمر ممکن می سازد.
به دلیل قوی بودن پیوندهای درون زنجیری، پلیمر در حین فرآیند نفوذ دوپه کننده تغییر شکل نمی دهد و از این رو، عمل دوپه کردن یک عمل برگشت پذیر خواهد بود. برگشت دادن فرآیند دوپه کردن۸ را می توان با اندازه گیری ضریب جذب کنترل کرد[۱۳].
تنها دوپه کننده هایی مورد استفاده قرار می گیرند که همراه با ایجاد پایداری شیمیایی توانایی رسانندگی الکتریکی را نیز بالا برند. این ویژگی تعداد دوپه کننده های مفید را به انواع I2 و FeCl3 برای الکترون پذیرنده ها و Li، Na وk برای الکترون دهنده ها محدود می سازد[۱۴].
الکترون دهنده ها بعد از یک واکنش صرفا به تبادل الکترون به شکل کاتیون های ساده نظیرLi+ در می آیند. از این فلزات به شکل نفتالید در THF (خشک و تقطیر شده) برای عمل دوپه کردن استفاده می شود. از سوی الکترون پذیرنده ها معمولا عمل دوپه کردن با یک تبدیل شیمیایی اضافی همراه است. سرعت دوپه کردن و ماکزیمم مقدار دوپه کردن را می توان بوسیله غلظت دوپه کننده به هنگام استفاده از فاز مایع یا فشار جزئی آن در صورت کار در فاز گازی کنترل کرد[۱۵].
پلیمرها از طریق فرآیندهای شیمیایی و الکتروشیمیایی سنتز و دوپه می شوند[۱۶]

این نوشته در No category ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.