Elemental sulfur enables a thione-mediated, non-radical polycondensation toward poly(benzodifurandione)

في عالم الإلكترونيات المرنة، سعى العلماء طويلاً وراء مادة يمكنها نقل الكهرباء بكفاءة النحاس ولكن بمرونة البلاستيك. وبينما تم إتقان المواد التي تحمل شحنات موجبة منذ عقود، ظلت نظيراتها التي تحمل شحنات سالبة صعبة التصنيع بشكل مستعصٍ. هذه الحوامل ذات الشحنة السالبة ضرورية لبناء دوائر متوازنة وعالية الأداء، ومع ذلك فإن ابتكارها كان يتطلب غالباً مواد كيميائية سامة، أو ظروفاً قاسية، أو خطوات تنقية تستغرق أسابيع وتنتج كميات هائلة من النفايات. وقد أبقت هذه العقبة أكثر مواد الشحنة السالبة واعدةً حبيسة عينات مخبرية صغيرة، غير قادرة على الوصول إلى النطاق المطلوب للأجهزة الواقعية مثل المستشعرات القابلة للارتداء أو الدوائر المطبوعة.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة لكسر هذا الجمود باستخدام مادة شائعة وغير ضارة مثل الكبريت الموجود في رأس عود الثقاب. فمن خلال تسخير الكبريت العنصري، طوروا طريقة جديدة لإنشاء نوع معين من البلاستيك عالي الأداء يسمى بولي (بنزوديفورانديون)، أو PBFDO، المعروف بقدرته على توصيل الكهرباء بشكل استثنائي. ويكمن الاختراق في عملية كيميائية تتجنب الحاجة إلى أسابلة من التنظيف الممل أو الإضافات الخطرة. بدلاً من ذلك، قام الباحثون بخلط اللبنات الأساسية للبلاستيك مع الكبريت في وعاء واحد، وسخنوا الخليط، ثم قاموا بتصفيته للحصول على حبر موصل جاهز للاستخدام. لا ينتج هذا النهج مادة ذات موصلية قياسية فحسب، بل يفعل ذلك أيضاً بطريقة آمنة وقابلة للتوسع وخالية من النواتج الثانوية السامة التي عرقلت الطرق السابقة.

بدأت الرحلة نحو هذا الحل بإدراك أن الطرق الحالية لصنع هذا البلاستيك كانت عالقة في مقايضة صعبة. فالطرق التي أنتجت أعلى جودة وأكثر المواد موصلية تطلبت غسل المنتج في مذيب يسمى ثنائي ميثيل سلفوكسيد لأسابيع لإزالة الشوائب، وهي عملية بطيئة ومكلفة. أما الطرق الأخرى فكانت أسرع ولكنها اعتمدت على معادن سامة أو مواد كborne كيميائية أكالة جعلت العملية غير آمنة للإنتاج واسع النطاق. أدرك الباحثون أنه من أجل المضي قدماً، كانوا بحاجة إلى محفز يكون وفيراً، وغير سام، وقادراً على دفع التفاعل دون ترك بقايا ضارة. لذا وجهوا اهتمامهم إلى الكبريت العنصري، وهو مادة وفيرة وتعتبر آمنة بشكل عام.

في تجاربهم، خلط الفريق وحدات المونومر الخاصة بالبلاستيك مع الكبريت في مذيب وسخنوا الخليط. واكتشفوا أن الكبريت لم يكتفِ بالبقاء هناك فحسب؛ بل شارك بنشاط في "رقصة كيميائية" ربطت اللبنات الأساسية معاً في سلاسل طويلة. والأهم من ذلك، أن هذه العملية لم تتضمن الاصطدامات الفوضوية عالية الطاقة النموذجية لتفاعلات الجذور الحرة، والتي يصعب التحكم فيها عادةً. بدلاً من ذلك، فتح الكبريت هيكله الحلقي ليشكل وسيطاً محدداً سمح لللبنات الأساسية بالانضمام معاً بطريقة منظمة. وكان هذا المسار غير الجذري (غير الجذري الحر) هو المفتاح لإنشاء بوليمر نظيف وعالي الجودة بدون العيوب التي تقلل عادةً من الأداء الكهربائي.

ومع نمو السلاسل، قام الكبريت بمهمة ثانية لا تقل أهمية. فقد أنتج التفاعل بشكل طبيعي كميات صغيرة من كبريتيد الهيدروجين وثنائي ميثيل السلفيد، وهي غازات عملت كمحفزات داخلية للخصائص الكهربائية للمادة. قامت هذه "المواد المشوبة" (dopants) تلقائياً بتطعيم البلاستيك، وهي عملية تملأ المادة بإلكترونات إضافية وتسمح لها بتوصيل الكهرباء بكفاءة أكبر بكثير. ولأن هذه المطعمات تم توليدها داخل خليط التفاعل نفسه، فقد خرج المنتج النهائي وهو مهيأ بالفعل للأداء العالي، مما ألغى الحاجة إلى خطوات تطعيم منفصلة ومعقدة.

اختبر الباحثون هذه الطريقة تحت ظروف مختلفة لإيجاد التوازن المثالي. ووجدوا أن استخدام كمية صغيرة فقط من الكبريت كان كافياً لإدارة التفاعل بأكم، حيث يمكن إعادة تدوير الكبريت ضمن الدورة الكيميائية. وعندما قاموا بتحسين درجة الحرارة والتركيز، حققوا مادة ذات موصلية تبلغ 2,059 سيمنز لكل سنتيمتر، وهو رقم يضاهي أفضل النتائج المسجلة لهذا النوع من البلاستيك. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن الخليط الخام تطلب فقط عملية ترشيح بسيطة لإزالة الكتل الكبيرة، متجاوزاً أسابيع من الديلزة (الترشيح الغشائي) التي تطلبتها الطرق السابقة. وكانت النتيجة حبراً داكناً موصلاً يمكن استخدامه فوراً.

ولإثبات أن هذه الطريقة يمكن أن تعمل على نطاق أوسع، قام الفريق برفع حجم العملية من أنبوب اختبار صغير إلى دفعة سعة 500 ملليلتر، وهو حجم مناسب للإنتاج الصناعي. وحتى عند هذا الحجم الأكبر، احتفظت المادة بموصلية ممتازة، بمتوسط يزيد عن 1,300 سيمنز لكل سنتيمتر. وظل الحبر مستقراً في الهواء لمدة شهرين، فاقداً القليل جداً من أدائه، وهو مطلب حاسم للتصنيع. ثم استخدم الفريق هذا الحبر لبناء أجهزة إلكترونية عاملة، بما في ذلك مولدات كهروحرارية تحول الحرارة إلى كهرباء، وترانزستورات كهروكيميائية عضوية يمكنها استشعار الإشارات البيولوجية. وقد أدت هذه الأجهزة أداءً عند أعلى المستويات المسجلة لهذه الفئة من المواد، مما يثبت أن طريقة التصنيع الجديدة لا تخلق مجرد فضول نظري، بل مادة عملية عالية الأداء.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد صنع بلاستيك أفضل. فمن خلال استبدال المحفزات السامة وإلغاء الحاجة إلى تنقية مستهلكة للطاقة، فتح الباحثون مساراً للإنتاج الضخم للإلكترونيات ذات الشحنة السالبة عالية الأداء. إن استخدام الكبريت العنصري، وهي مادة رخيصة وآمنة، يشير إلى أن مستقبل الإلكترونيات المرنة يمكن أن يُبنى على أساس صديق للبيئة وقابل للتطبيق صناعياً. إن هذا التعديل البسيط والقوي في عملية التصنيع يحل عقبة طويلة الأمد، مما يقرب وعد الدوائر الإلكترونية المتقدمة والمتوازنة من الواقع.