Kemi: Ledande plast – möjligheternas material

Kan ett Nobelpris handla om något så alldagligt och billigt som plast? Jo, för när årets pris i fysik belönar upptäckter som har lagt grunden för dagens IT, så rör priset i kemi material för morgondagens IT.

Framtidmaterial

Årets tre pristagare Alan J Heeger, Alan G MacDiarmid och Hideki Shirakawa belönas för upptäckten av elektriskt ledande plaster och för vidareutveckling av dessa material. I år är chanserna goda att priset ska leva upp till Alfred Nobels intentioner att den prisbelönta upptäckten ska bli till stort gagn för mänskligheten.

Det saknas sannerligen inte idéer till nya användningsområden, de flesta både energisnåla och miljövänliga. Vad sägs om lysande väggar och tak i stället för vanliga lampor, TV-skärmar som går att rulla ihop, integrerade kretsar, batterier och solceller, allt tillverkat av enbart plast? Prototyper av olika slag finns redan framtagna, som mobiltelefoner med teckenrutor av plast i stället för flytande kristaller.

Användningen av ledande plaster är dock fortfarande begränsad, men intensiv forskning och utveckling pågår vid universitet och företagslaboratorier runt om i världen. Bara ett fåtal ledande plaster tillverkas kommersiellt och ofta för ganska alldagliga ändamål, som att antistatbehandla fotografisk film eller andra ytor där man vill undvika statisk elektricitet, t ex operationssalarnas plastgolv där den elektroniska utrustningen annars kan störas. Elektromagnetisk strålning från datorskärmar avskärmas med hjälp av ledande plaster.

Misstag blev lyckokast

Egentligen var det ett misstag som gav upphov till upptäckten. På Hideki Shirakawas laboratorium i Japan experimenterade man i mitten av 1970-talet med att polymerisera gasen acetylen (HCCH) med hjälp av katalys. Resultatet blev, polyacetylen, ett mörkt pulver. Av en händelse råkade en av Shirakawas doktorander tillsätta tusen gånger mer av katalysatorn än vad som krävs för att få igång reaktionen. Resultatet blev då en silverglänsande film, trans-polyacetylen, som lade sig på reaktionskärlets väggar. Man hade skapat en organisk förening som såg ut som en metall.

Fysikern Heeger och kemisten MacDiarmid hade experimenterat med liknande substanser och blev intresserade när de fick höra om Shirakawas metallika polymer. Han blev inbjuden till USA, och snart inleddes ett fruktbart samarbete mellan de tre pristagarna. Tillsammans har de utrett den teoretiska grunden för hur ledande polymerer fungerar och utvecklat nya former av dessa material.

Det stora genombrottet skedde när de upptäckte att polyacetylenets elektriska ledningsförmåga kunde fås att öka tiotusen gånger genom oxidation med jod. Materialet såg inte bara ut som en metall, nu hade det också fått en annan typisk egenskap för metaller.

Störda dubbelbindningar

Ett plastmaterial består av polymerer, dvs stora kedjeformade, oförgrenade eller förgrenade kolhaltiga molekyler. Det tillverkas av mindre molekyler, monomerer, t ex acetylen. Genom en kemisk reaktion, polymerisering, fås monomererna att haka fast i varandra, och bilda som i vårt exempel, polyacetylen. Plaster är jämförelsevis billiga material eftersom monomererna ofta tillverkas av olja.

Vanliga plaster är elektriskt isolerande, men om de innehåller konjugerade dubbelbindningar, dvs omväxlande dubbel- och enkelbindningar, som löper längs med kedjan kan de fungera som halvledare. De enkla bindningarna är stabila, medan dubbelbindningarna är mindre stabila och består av rörligare elektroner. Men dessa elektroner är ändå inte tillräckligt rörliga för att ge materialet samma ledningsförmåga som finns hos metaller.

För att öka ledningsförmågan måste polymeren dopas, vilket innebär att man stör de konjugerade dubbelbindningarna. Störningen sker genom inblandning, antingen med ämnen som jod, som har en stark tendens att dra till sig elektroner, eller ämnen som natrium, som gärna gör sig av med en elektron. Utsätter man den dopade polymeren för ett spänningsfält börjar störda elektroner från dubbelbindningarna att snabbt röra sig längs kedjan eller hoppa från kedja till kedja, medan de dopande ämnena rör sig trögt mellan kedjorna.

Jämfört med dopning av oorganiska halvledare behöver polymererna relativt stora mängder dopningsmedel. Töjer man materialet i en riktning blir det större ordning bland molekylerna, eftersom kedjorna då sträcks ut och elektronerna lättare kan röra sig längs kedjorna och hoppa mellan dem. Polyacetylen som har behandlats på detta sätt och är uppblandat med omkring 25 procent jod har en ledningsförmåga jämförbar med koppar!

I dag tillverkas ledande polymerer kommersiellt på bara ett par ställen i Europa. Nobelpristagaren Heeger och en av hans amerikanska kolleger inledde på 1990-talet samarbete med ett finskt petrokemiskt företag. Tillsammans har de utvecklat en ledande polymer baserad på polyanilin, en mycket stabilare polymer än polyacetylen. Vilka dopningsmedel som används är företagets hemlighet. Materialet kan formgjutas, spinnas och bilda tunna filmer. Hittills har plasten främst använts för att skydda känslig elektronik från statisk elektricitet.

Lyser och läker

Den kanske mest spektakulära egenskapen hos polymerer med konjugerade dubbelbindningar är fotoluminiscens. Om man ansluter en elektrod till vardera sidan av en tunn plastfilm, kan materialet fås att avge ljus när det ligger en spänning över elektroderna. Den ena polen tillför och den andra suger åt sig elektroner, och därigenom börjar laddningar att vandra längs och mellan polymerens kedjor. Något förenklat kan ljusfenomenet förklaras genom att fotoner avges då positiva och negativa laddningar möts och utplånar varandra. Olika monomerer ger olika färg.

Omvandlingen av elektrisk energi till ljus är mycket effektivare i halvledande polymerer än i våra vanliga lampor och i TV-skärmar. Det är också möjligt att köra reaktionen åt andra hållet, dvs belysa materialet och på så sätt alstra elektrisk ström. I praktisk tillämpning skulle detta kunna innebära solceller av plast. När nya plastmaterial så småningom har utvecklats ska det bli möjligt att tillverka plastfilmer bestående av olika ledande och halvledande skikt. På så sätt kan man få både ljuskällor och solceller i form av stora ytor.

En oväntad användning är medicinska implantat för att påskynda och möjliggöra läkningsprocesser. Genom elektrisk stimulering kan nerver fås att dela sig. I USA pågår djurförsök där forskare har använt polymeren polypyrrol för att leda ström i vävnader där nerver har slitits av. Skadade nerver växer till och vägleds längs kanaler av polypyrrol. Om försöken håller vad de lovar kan de leda till tekniker för att reparera skadade nerver i både perifera och centrala nervsystemet.