Éra plastové elektroniky, skutečnost, nebo science fiction?

Začátkem sedmdesátých let v Japonsku zcela náhodou syntetizovali z řetězců skupin CH₂ polyacetylenový film, který vykazoval některé vlastnosti kovu.

Plastické hmoty jsou materiály laciné, jejich výroba je jednoduchá, jsou chemicky odolné a snesou mechanické namáhání. Zatím je většina z nás považuje za dobré izolátory. Málokdo ale ví, že existují i polymery, které naopak vedou elektrický proud a které teprve teď začínají nalézat široké možnosti uplatnění. Co do elektrické vodivosti se plastické hmoty mohou chovat nejen jako kovy, ale dokonce i jako polovodiče. Ty mají schopnost při přiložení elektrického napětí emitovat světlo a to vede k netušeným aplikacím. Ale vezměme to popořádku.

Napřed trošku fyziky

Aby mohla pevná látka vést elektrický proud, potřebuje k tomu volné elektrony. Ty se mohou pod vlivem vnějšího pole volně pohybovat, a čím je jich víc, tím lepším vodičem látka je. V kovech je takových elektronů hodně, zatímco v izolátoru jsou všechny pevně vázány k nějakému atomu. Veškeré pochody jsou řízeny pravidly kvantové mechaniky, konkrétně pásovou teorií. Zásadní je, že elektrony nemohou mít libovolnou energii, její velikost musí odpovídat některé energetické hladině ve vodivostním, valenčním nebo zakázaném pásu. U polovodičů se dá vodivost řídit přidáváním dopantů, které buď dodávají elektrony do vodivostního pásu, nebo je zachycují z pásu valenčního.

Od vynálezu tranzistoru jsou dopované polovodiče srdcem elektronického průmyslu. Základním stavebním kamenem je stále křemík, miniaturizace a integrace elektronických prvků pokračuje sice závratným tempem, velké plochy z něj ale neumíme vyrobit. Limitovány jsou i jeho mechanické vlastnosti. A zde přicházejí jako elegantní řešení plasty, které mohou způsobit revoluci v elektronickém průmyslu.

Jak se plastická hmota stane vodivou

Tajemství tkví ve struktuře látek. Plasty jsou umělé materiály složené z dlouhých molekul – polymerů – jež jsou navzájem spojeny kovalentními vazbami. To znamená, že dva sousední atomy sdílejí jeden pár elektronů. Pokud leží vazba v rovině tvořené oběma atomy, jsou elektrony blízko sebe a jsou vázány velmi pevně. Existují ale i vazby kolmé k této rovině. Normální nevodivé polymery obsahují většinou pouze vazby rovinné. Existují ale i polymery konjugované, kde dva atomy sdílejí dva páry elektronů, jeden v rovině atomů a druhý v rovině kolmé. Elektrony zde nejsou vázány tak pevně a mohou se pohybovat podél polymerového řetězce nebo mezi jednotlivými řetězci. A najednou máme obdobu volných elektronů v kovu. I když při pokojové teplotě jich často bývá málo, pomůže přidání příměsi, jako je třeba stříbro nebo měď.

A teď to hlavní – k čemu je to dobré

Předem je třeba říct, že přeskakování elektronů podél polymerových řetězců je proces daleko pomalejší než pochody v klasickém polovodiči, takže plasty nebudou soutěžit třeba v rychlosti zpracování informací. Nemají to ale ani zapotřebí.

Jednou z nejpozoruhodnějších vlastností polymerových polovodičů je schopnost emitovat světlo. Polymerové elektroluminiscenční diody (LED) pracují na stejném principu jako ty konvenční, při rekombinačních procesech se uvolňují fotony. Polymerové nebo organické LED (ty jsou vytvořeny na bázi malých organických molekul) mají však řadu výhod. Jejich struktura je velmi jednoduchá a příprava nenáročná. Dá se z nich vyrobit tenká ohebná vrstva o velkých rozměrech. Emise světla je intenzivnější než u normálních LED a barva světla, která závisí na chemické struktuře, může být prakticky libovolná. To předurčuje polymerové, popřípadě organické LED k tomu, aby se staly ideálním materiálem pro displeje všech možných zařízení. Ve srovnání s těmi běžně používanými, jako jsou třeba obrazovky z kapalných krystalů, jsou daleko tenčí, pro některé aplikace to může být méně než 1 cm. Zapínají a vypínají se stokrát rychleji a spotřeba elektrické energie je daleko menší. Polymerové LED mohou emitovat monochromatické světlo přímo na objednávku, bez barevných filtrů. Obrázek je jasný a ostrý, pozorovat se dá z úhlu téměř 180°.

Nejen displeje

Nejdůležitějším zlomem bylo pravděpodobně zhotovení prvního organického tranzistoru v polovině osmdesátých let. Tranzistor, který je bezesporu klíčovým prvkem veškerého moderního elektronického průmyslu, se teď podařilo vyrobit z pentacenu (C₂₂H₁₄). Hlavní výhodou takových tranzistorů je opět velmi snadná výroba. Zní to skoro neuvěřitelně, ale zařízením podobným domácí inkoustové tiskárně se dá na bázi polymerů natisknout libovolný elektrický obvod. Ani kompletní televizní obrazovka včetně elektronických obvodů nepředstavuje velký problém. Výzkumné týmy různých elektronických gigantů závodí ve vývoji flexibilních elektronických součástek, jako je elektronický papír. Tranzistory na bázi polymerů umožní vyrábět i složitá zařízení, třeba laptop, který se dá částečně srolovat nebo složit. V blízké budoucnosti se pravděpodobně rozšíří roboty s dotykovými čidly na bázi plastových tranzistorů. Japonští vědci vyvinuli ze směsi gumy, uhlíku a organických tranzistorů ohebnou fólii, která je citlivá na tlak, tudíž by mohla nahradit kůži. Takovou „kůží“ byl vybaven nedávno zkonstruovaný robot, který dokázal pochovat živé miminko, aniž mu ublížil.

Přes nesporné dílčí úspěchy je výzkum v oboru plastové elektroniky ještě v plenkách. Na velké televizní obrazovky tenčí než 1 cm, na elektronické plakáty, bilboardy a ohebné laptopy si ještě chvíli počkáme. Odborníci očekávají i rozsáhlé aplikace v oboru bioniky. Fantazie tu nabízí možnost vytvořit efektivní rozhraní mezi živou tkání a umělými náhradami, například napojit protetické náhrady přímo na pacientovy svaly a nervy. Vodivé plasty by mohly přemostit mezeru mezi organickými a neorganickými materiály, mezi živým světem a světem techniky.