Nhựa dẫn điện

Chúng ta luôn được dạy rằng nhựa không dẫn điện, không giống như kim loại. Thực tế đúng như vậy, nhựa được sử dụng làm vật liệu cách điện, bọc xung quanh dây đồng trong các loại cáp điện thông thường. Các vật dụng như kềm, tuốc nơ vít, bút thử điện, công tắc… đều dùng nhựa để cách điện, đảm bảo tính an toàn khi tiếp xúc với điện.

Nhựa là polymer, các phân tử có cấu trúc lặp lại một cách đều đặn thành chuỗi dài. Để polymer dẫn điện, nó phải bao gồm các liên kết đơn và đôi xen kẽ giữa các nguyên tử carbon. Nó cũng phải được “pha tạp”, nghĩa là các electron bị loại bỏ (thông qua quá trình oxy hóa) hoặc thêm vào (thông qua quá trình khử). Những “lỗ trống” hay các electron dư thừa này, có thể di chuyển dọc theo phân tử, làm nó trở nên dẫn điện.

Trước giữa những năm 1970, người ta cho rằng tất cả loại nhựa đều là chất cách điện. Tuy nhiên, khoa học không đứng yên. Trong một lần tình cờ, nhà nghiên cứu Shirakawa vô tình thêm chất xúc tác thừa vào mẻ nhựa đang sản xuất có tên là polyacetylene. Kết quả là một lớp màng màu bạc. Shirakawa kể cho MacDiarmid về phát hiện của mình tại một hội thảo ở Tokyo năm 1975.

MacDiarmid ngay lập tức tỏ ra hứng thú, vì ông và Heeger, người cũng đang làm việc tại Đại học Pennsylvania vào thời điểm đó, đã và đang thử nghiệm các màng từ các polymer tạo ra từ các khối cấu tạo vô cơ. MacDiarmid mời Shirakawa đến thăm Đại học Pennsylvania, và các nhà nghiên cứu nhanh chóng bắt tay vào việc sửa đổi, thử nghiệm các polymer.

Trong một trường hợp, các nhà khoa học sử dụng hơi iodine để oxy hóa màng, phương pháp xử lý mà họ biết có thể làm thay đổi tính chất quang học của màng. Tuy nhiên, khi đo kết quả, họ phát hiện ra một sự thay đổi khác lớn hơn: Độ dẫn điện tăng lên 10 triệu lần.

Điều đó xảy ra như thế nào? Polyacetylene mà các nhà khoa học đang nghiên cứu là một phân tử dạng chuỗi với các liên kết đôi và đơn xen kẽ. Họ phát hiện rằng, khi thêm các điện tích dư thừa vào phân tử - như xảy ra trong quá trình oxy hóa - các điện tích này sau đó có thể di chuyển dọc theo các liên kết xen kẽ một cách khá dễ dàng.

Giải Nobel Hóa học năm 2000

Năm 2000, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển quyết định trao Giải Nobel Hóa học cho ba nhà khoa học gồm: Giáo sư Alan J. Heeger tại Đại học California ở Santa Barbara (Hoa Kỳ), Giáo sư Alan G. MacDiarmid tại Đại học Pennsylvania, Philadelphia (Hoa Kỳ) và Giáo sư Hideki Shirakawa tại Đại học Tsukuba (Nhật Bản) “vì phát hiện và phát triển các polymer dẫn điện”.

Các nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học năm 2000, được vinh danh vì khám phá mang tính cách mạng của họ: Nhựa, sau một số điều chỉnh nhất định, có thể trở thành vật liệu dẫn điện. Từ phát hiện mang tính đột phá vào cuối những năm 1970, các nhà khoa học sau đó phát triển polymer dẫn điện thành lĩnh vực nghiên cứu mang lại các ứng dụng thực tiễn quan trọng.

Nhựa dẫn điện được sử dụng hoặc đang phát triển trong các thiết bị công nghệ cao, như chất chống tĩnh điện cho phim ảnh, tấm chắn bức xạ điện từ cho màn hình máy tính, linh kiện điện tử bằng nhựa dùng cho nhãn hàng hóa điện tử. Ngoài ra, polymer bán dẫn gần đây được phát triển trong diode phát quang, pin mặt trời, làm màn hình điện thoại di động, màn hình tivi mini.

Nghiên cứu về polymer dẫn điện cũng liên quan mật thiết đến sự phát triển nhanh chóng điện tử phân tử. Trong tương lai, chúng ta có thể sản xuất bóng bán dẫn và các linh kiện điện tử khác, sẽ làm tăng tốc độ và giảm kích thước máy tính một cách đáng kể. Một chiếc máy tính tương đương với những gì chúng ta hiện đang mang theo trong túi xách, sẽ đột nhiên nằm gọn trong một chiếc đồng hồ.