Formskiftende organiske krystaller bruger hukommelse til at forbedre plastikelektronik

Forskere har identificeret en mekanisme, der udløser formhukommelsesfænomener i organiske krystaller, der bruges i plastikelektronik. Formskiftende strukturelle materialer er lavet af metallegeringer, men den nye generation af økonomisk printbar plastikelektronik er klar til at drage fordel af dette fænomen, også. Shape-memory materialevidenskab og plastikelektronikteknologi, ved sammenlægning, kunne åbne døren til fremskridt inden for laveffektelektronik, medicinsk elektronisk udstyr og multifunktionelle formhukommelsesmaterialer.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation og bekræfte formhukommelsesfænomenet i to organiske halvledermaterialer.

Enheder som de udvidelige stenter, der åbner og ophæver blokering af tilstoppede menneskelige blodkar, bruger formhukommelsesteknologi. Varme, lys og elektriske signaler, eller mekaniske kræfter sender information gennem enhederne og fortæller dem at de skal udvide sig, kontrakt, bøje og forvandle tilbage til deres oprindelige form - og kan gøre det gentagne gange, som en slange, der trækker sig sammen for at sluge sin middag. Denne effekt fungerer godt med metaller, men forbliver uhåndgribelig i syntetiske organiske materialer på grund af kompleksiteten af ​​de molekyler, der bruges til at skabe dem.

"Form-hukommelses-fænomenet er almindeligt i naturen, men vi er ikke rigtig sikre på naturens designregler på molekylært niveau, " sagde professor i kemisk og biomolekylær teknik og medforfatter til undersøgelsen, Ying Diao. "Naturen bruger organiske forbindelser, der er meget forskellige fra de metallegeringer, der bruges i form-hukommelsesmaterialer på markedet i dag, " sagde Diao. "I naturligt forekommende formhukommelsesmaterialer, molekylerne omdannes i samarbejde, hvilket betyder, at de alle bevæger sig sammen under formændring. Ellers, disse materialer ville splintre, og formændringen ville ikke være reversibel og ultrahurtig."

Opdagelsen af ​​formhukommelsesmekanismen i syntetisk organisk materiale var ret serendipital, sagde Diao. Holdet skabte ved et uheld store organiske krystaller og var nysgerrige efter at finde ud af, hvordan de ville transformere givet varme.

"Vi kiggede på enkeltkrystallerne under et mikroskop og fandt ud af, at transformationsprocessen er dramatisk anderledes, end vi havde forventet, " sagde kandidatstuderende og medforfatter Hyunjoong Chung. "Vi så en samordnet bevægelse af et helt lag af molekyler, der fejede gennem krystallen, der ser ud til at drive form-hukommelseseffekten - noget, der sjældent observeres i organiske krystaller og derfor stort set er uudforsket. "

Denne uventede observation førte til, at holdet ønskede at udforske fusionen mellem form-hukommelsesmaterialevidenskab og området for organisk elektronik, sagde forskerne. "Dagens elektronik er afhængig af transistorer for at tænde og slukke, hvilket er en meget energikrævende proces, " sagde Diao. "Hvis vi kan bruge formhukommelseseffekten i plasthalvledere til at modulere elektroniske egenskaber på en samarbejdsvillig måde, det ville kræve meget lavt energiforbrug, potentielt bidrage til fremskridt inden for laveffekt og mere effektiv elektronik."

Holdet bruger i øjeblikket varme til at demonstrere formhukommelseseffekten, men eksperimenterer med lysbølger, elektriske felter og mekanisk kraft til fremtidige demonstrationer. De udforsker også den molekylære oprindelse af form-hukommelsesmekanismen ved at justere den molekylære struktur af deres materialer. "Vi har allerede fundet ud af, at ændring af blot et atom i et molekyle kan ændre fænomenet betydeligt, " sagde Chung.

Forskerne er meget begejstrede for det molekylære samarbejdsaspekt, der blev opdaget med denne forskning, og dets potentielle anvendelse på det nylige Nobelprisvindende koncept for molekylære maskiner, sagde Diao. "Disse molekyler kan ændre konformation i samarbejde på molekylært niveau, og den lille molekylære strukturændring forstærkes over millioner af molekyler for at aktivere store bevægelser på makroskopisk skala."