Un silicone coloré qui brise les règles et qui pourrait conduire l'électricité

Une variante du silicone récemment découverte est un semi-conducteur. Des chercheurs de l'Université du Michigan ont découvert-des hypothèses bouleversantes selon lesquelles cette classe de matériaux est exclusivement isolante.

"Ce matériau ouvre la voie à de nouveaux types d'écrans plats, de systèmes photovoltaïques flexibles, de capteurs portables ou même de vêtements pouvant afficher différents motifs ou images", a déclaré Richard Laine, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de science et d'ingénierie macromoléculaires à l'U-M et auteur correspondant de l'étude récemment publiée dans Macromolecular Rapid Communications.

Les huiles et caoutchoucs de silicone-polysiloxanes et silsesquioxanes-sont traditionnellement des matériaux isolants, ce qui signifie qu'ils résistent au flux d'électricité ou de chaleur. Leurs propriétés de résistance à l'eau-les rendent utiles dans les appareils biomédicaux, les produits d'étanchéité, les revêtements électroniques et bien plus encore.

Parallèlement, les semi-conducteurs conventionnels sont généralement rigides. Le silicone semi-conducteur a le potentiel de permettre l’électronique flexible décrite par Laine, ainsi que le silicone disponible dans une variété de couleurs.

Au niveau moléculaire, les silicones sont constituées d'un squelette d'atomes alternés de silicium et d'oxygène (Si-O-Si) avec des groupes organiques (à base de carbone-) attachés au silicium. Diverses formations 3D de chaînes polymères apparaissent lorsqu'elles se connectent les unes aux autres, appelées réticulations-, qui modifient les propriétés physiques du matériau telles que la résistance ou la solubilité.

En étudiant différentes structures de réticulation-dans le silicone, l'équipe de recherche est tombée sur le potentiel de conductivité électrique dans un copolymère, qui est une chaîne polymère contenant deux types différents d'unités répétitives-cage-structurées puis de silicones linéaires dans ce cas.

La possibilité de conductivité découle de la façon dont les électrons peuvent se déplacer à travers des liaisons Si-O-Si avec des orbitales qui se chevauchent. Les semi-conducteurs ont deux états principaux : l’état fondamental, qui ne conduit pas l’électricité, et un état conducteur, qui le conduit. L’état conducteur, également appelé état excité, se produit lorsque certains électrons sautent vers l’orbitale électronique suivante, qui est connectée à travers le matériau comme un métal.

En règle générale, les angles de liaison Si-O-Si ne permettent pas cette connexion. À 110 degrés, ils sont loin d’une ligne droite à 180 degrés. Mais dans le copolymère de silicone découvert par l'équipe, ces liaisons commençaient à 140 degrés à l'état fondamental-et s'étendaient jusqu'à 150 degrés à l'état excité. C’était suffisant pour créer une autoroute permettant aux charges électriques de circuler.

"Cela permet une interaction inattendue entre les électrons à travers plusieurs liaisons, y compris les liaisons Si-O-Si dans ces copolymères", a déclaré Laine. "Plus la chaîne est longue, plus il est facile pour les électrons de parcourir de plus longues distances, réduisant ainsi l'énergie nécessaire pour absorber la lumière, puis l'émettre à des énergies plus faibles."

Les propriétés semi-conductrices des copolymères de silicone permettent également son spectre de couleurs. Les électrons sautent entre les états fondamentaux et excités en absorbant et en émettant des photons ou des particules de lumière. L'émission lumineuse dépend de la longueur de la chaîne du copolymère, que l'équipe de Laine peut contrôler. Des chaînes plus longues signifient des sauts plus petits et des photons d’énergie plus faible, donnant au silicone une teinte rouge. Les chaînes plus courtes nécessitent des sauts plus importants de la part des électrons, elles émettent donc une lumière d'énergie plus élevée vers l'extrémité bleue du spectre.

Pour démontrer le lien entre la longueur de la chaîne et l'absorption et l'émission de lumière, les chercheurs ont séparé des copolymères de différentes longueurs de chaîne et les ont disposés dans des tubes à essai de la plus longue à la plus courte. Faire briller une lumière UV sur les tubes crée un arc-en-ciel complet car chacun absorbe et émet la lumière à des énergies différentes.

La gamme colorée basée sur la longueur de la chaîne du copolymère est particulièrement unique car jusqu'à présent, les silicones n'étaient connus que comme transparents ou blancs, car leurs propriétés isolantes les rendaient incapables d'absorber beaucoup de lumière.

"Nous prenons un matériau que tout le monde pensait électriquement inerte et lui donnons une nouvelle vie-qui pourrait alimenter la prochaine génération d'électronique douce et flexible", a déclaré Zijing (Jackie) Zhang, doctorant à l'Université-M en science et ingénierie des matériaux et auteur principal de l'étude.