پلی آستیلن یکی از مهم‌ترین و شناخته‌شده‌ترین پلیمرهای ارگانیک رسانا است که نقش قابل‌توجهی در توسعه علم مواد و شیمی پلیمرها داشته است. این ماده که با نام پلی استیلن یا پلی‌اتین نیز شناخته می‌شود، از بسپارش گاز استیلن به‌دست می‌آید و ساختاری شامل زنجیره‌هایی از گروه‌های الفینی تکراری دارد. کشف این پلیمر و بررسی رسانایی بالای آن منجر به گشایش حوزه‌ای جدید در علم مواد تحت عنوان پلیمرهای رسانا شد.
تاریخچه کشف پلی آستیلن
پژوهش‌ها در زمینه پلی آستیلن به دهه ۱۹۵۰ میلادی بازمی‌گردد، زمانی که نخستین پلیمرهای حاصل از استیلن توسط «ناتا» و همکارانش تولید شدند. در ابتدا محصول به‌دست‌آمده به شکل پودری سیاه و غیرقابل‌انحلال بود و توجه چندانی را جلب نکرد. اما پیشرفتهای بعدی، به‌ویژه کار گروه شیراکاوا در دهه ۱۹۷۰ میلادی، نقطه عطفی در تاریخ این ماده بود. آنان توانستند فیلم‌های نقره‌ای و براق از این پلیمر تولید کنند که رسانایی الکتریکی بسیار بالایی داشتند. این دستاورد سرآغازی برای توسعه مواد پلیمری رسانا محسوب شد و منجر به اهدای جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۰۰ به محققان این حوزه گردید.
ساختار مولکولی این پلیمر
پلی آستیلن از زنجیره‌های بلند اتم‌های کربن تشکیل شده است که پیوندهای یگانه و دوگانه به‌صورت متناوب در آنها تکرار می‌شوند. هر اتم کربن نیز با یک اتم هیدروژن پیوند دارد. وجود این ساختار متناوب از پیوندهای یگانه و دوگانه باعث می‌شود که ماده خاصیتی به نام «تزویج» یا conjugation داشته باشد. این ویژگی نقش اساسی در رسانایی الکتریکی بالای پلی استیلن دارد.
در ساختار پلی آستیلن دو نوع ایزومر وجود دارد: ایزومر ترانس و ایزومر یک‌طرفه. ایزومر ترانس پایدارتر است، در حالی که ایزومر یک‌طرفه انعطاف‌پذیری بیشتری دارد. تفاوت این ایزومرها مستقیماً بر خواص مکانیکی و الکتریکی این پلیمر تأثیر می‌گذارد.
روش‌های سنتز پلی آستیلن
فرآیند تولید پلی آستیلن می‌تواند از طریق روش‌های گوناگونی انجام شود. یکی از متداول‌ترین روش‌ها، استفاده از کاتالیزور زیگلر-ناتا است. در این روش، گاز استیلن در حضور ترکیبات فلزی خاص تحت شرایط کنترل‌شده واکنش داده و زنجیره‌های پلیمری ایجاد می‌کند. با تغییر دما، فشار و نوع کاتالیزور، می‌توان ساختار و خواص محصول نهایی را کنترل کرد.
علاوه بر این، این پلیمر را می‌توان از طریق بسپارش تابشی نیز سنتز کرد. در این روش، تابش اشعه گاما، ماورای بنفش یا تخلیه الکتریکی موجب آغاز واکنش پلیمریزاسیون می‌شود. این روش بدون استفاده از کاتالیزور انجام می‌گیرد و معمولاً در دماهای پایین صورت می‌پذیرد تا ساختاری منظم‌تر حاصل شود.
روش دیگر برای تولید این پلیمر، استفاده از بسپارش جانشینی حلقه‌گشا است که با بهره‌گیری از ترکیبات حلقوی مانند cyclooctatetraene انجام می‌شود. این شیوه امکان افزودن گروه‌های مختلف به ساختار اصلی پلیمر را فراهم می‌سازد و سبب بهبود انحلال‌پذیری و تنظیم خواص نهایی می‌گردد.
ویژگی‌ها و خواص پلی آستیلن
این پلیمر به دلیل ساختار ویژه خود دارای خصوصیات منحصربهفردی است که آن را از سایر پلیمرها متمایز می‌سازد. مهم‌ترین ویژگی‌های این ماده عبارت‌اند از:
- رسانایی الکتریکی بالا در حالت ناخالص‌شده یا دوپ‌شده
- وجود خاصیت تزویجی در زنجیره اصلی پلیمر
- وزن مخصوص پایین در حدود ۰٫۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب
- قابلیت تشکیل فیلم‌های نازک و انعطاف‌پذیر در حالت یک‌طرفه
- شکنندگی و سختی بیشتر در ایزومر ترانس
- حساسیت بالا نسبت به هوا و رطوبت
- پایداری پایین در شرایط محیطی معمولی
- امکان اصلاح ساختار از طریق جانشینی گروه‌های عاملی مختلف
رسانایی الکتریکی پلی آستیلن یکی از جنبه‌های مهم این ماده است. با دوپ کردن آن توسط عناصر مختلف نظیر ید، کلر یا برم، رسانایی به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. این ویژگی سبب شده است که پلی استیلن به‌عنوان پایه‌ای برای توسعه پلیمرهای رسانای ارگانیک شناخته شود.
تأثیر شرایط سنتز بر خواص این پلیمر
خواص نهایی پلی آستیلن به شدت تحت تأثیر پارامترهای فرآیند سنتز است. دمای واکنش، نوع کاتالیزور، غلظت آن و روش اعمال استیلن، همگی بر ساختار نهایی و ویژگی‌های فیزیکی و الکتریکی ماده تأثیرگذارند.
برای مثال، در دمای کمتر از منفی ۷۸ درجه سانتی‌گراد این پلیمر یک‌طرفه تشکیل می‌شود که ظاهری مسی‌رنگ و خاصیت کشسانی بالایی دارد، در حالی‌که در دمای بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد، ایزومر ترانس به وجود می‌آید که ظاهری نقره‌ای و شکننده دارد.
انواع پلی آستیلن
پلی آستیلن را می‌توان به چند گروه اصلی تقسیم کرد:
- پلی آستیلن ترانس: دارای نظم بلوری بالا، رسانایی متوسط و شکنندگی زیاد.
- پلی آستیلن یک‌طرفه: انعطاف‌پذیر، نرم و دارای رسانایی بیشتر پس از دوپینگ.
- پلی آستیلن جانشین‌دار: که در آن برخی از اتم‌های هیدروژن با گروه‌های عاملی دیگر جایگزین می‌شوند تا انحلال‌پذیری یا پایداری آن افزایش یابد.
کاربردهای پلی آستیلن
اگرچه پلی آستیلن به دلیل ناپایداری در برابر هوا و رطوبت به‌صورت مستقیم در محصولات تجاری گسترده به‌کار نمی‌رود، اما نقش علمی و صنعتی آن بسیار برجسته است. این ماده پایه‌گذار فناوری‌های متعددی در زمینه پلیمرهای رسانا و نیمه‌رسانا بوده است.
کاربردهای مهم این پلیمر شامل موارد زیر است:
- استفاده به‌عنوان مدل پژوهشی برای مطالعه رسانایی در پلیمرها
- توسعه مواد نیمه‌رسانای ارگانیک در صنایع الکترونیک
- به‌کارگیری در حسگرهای شیمیایی و زیستی
- تولید پوشش‌های ضدالکتریسیته ساکن
- استفاده در ساخت باتری‌ها و ابرخازن‌ها
- طراحی مواد سبک با رسانایی بالا برای تجهیزات الکترونیکی
این پلیمر، هرچند در مقیاس تجاری گسترده مورد استفاده نیست، اما راه را برای تولید سایر پلیمرهای رسانا مانند پلی‌آنیلین، پلی‌تیوفن و پلی‌پیرول هموار کرده است. این مواد امروزه در ساخت نمایشگرهای OLED، سلول‌های خورشیدی آلی و ادوات نانوالکترونیکی نقش کلیدی دارند.
مقایسه پلی آستیلن با سایر پلیمرهای رسانا
در مقایسه با پلیمرهای رسانایی مانند پلی‌تیوفن و پلی‌آنیلین، این پلیمر دارای رسانایی ذاتی بالاتری است، اما از نظر پایداری محیطی ضعیف‌تر عمل می‌کند. این پلیمر به‌سرعت در مجاورت اکسیژن و رطوبت تجزیه می‌شود، در حالی‌که سایر پلیمرهای رسانا پایداری حرارتی و شیمیایی بیشتری دارند. با این وجود، ساختار ساده و رفتار الکتریکی قابل پیش‌بینی آن باعث شده است که هنوز به‌عنوان مرجع اصلی در مطالعات علمی مورد استفاده قرار گیرد.
مزایا و محدودیت‌های پلی آستیلن
مزایا:
- رسانایی الکتریکی بالا
- ساختار ساده و قابل‌مدلسازی
- قابلیت دوپینگ برای کنترل هدایت
- وزن سبک و دانسیته پایین
محدودیت‌ها:
- ناپایداری در برابر هوا و رطوبت
- دشواری در فرآیند شکل‌دهی صنعتی
- انحلال‌پذیری پایین در حلال‌های آلی
- شکنندگی در برخی ایزومرها
جمع‌بندی
پلی آستیلن به‌عنوان نخستین پلیمر رسانای ارگانیک، نقطه عطفی در علم مواد محسوب می‌شود. ساختار ویژه، رسانایی بالا و امکان کنترل ویژگی‌های آن از طریق دوپینگ و سنتز، این ماده را به یکی از مهم‌ترین موضوعات تحقیقاتی در حوزه پلیمرهای پیشرفته تبدیل کرده است. هرچند محدودیت‌هایی مانند ناپایداری و فرآوری دشوار مانع از کاربرد صنعتی گسترده آن شده‌اند، اما نقش بنیادی آن در توسعه پلیمرهای رسانا انکارناپذیر است.
