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

フレキシブル電子機器の世界において、科学者たちは、銅のように効率的に電気を運びつつ、プラスチックのような柔軟性を備えた材料を長年追い求めてきました。正電荷を運ぶ材料は数十年にわたり完成されていますが、その対となる負電荷を運ぶ材料の製造は、頑固なまでに困難なままでした。これらの負電荷キャリアは、バランスの取れた高性能な回路を構築するために不可欠ですが、それらを生成するには、毒性のある化学物質や極限状態、あるいは数週間を要する精製工程が必要となることが多く、膨大な量の廃棄物を生み出してきました。このボトルネックにより、最も有望な負電荷材料は、ウェアラブルセンサーや印刷回路といった実用的なデバイスに必要な規模へと到達できず、小さな研究室のサンプルの中に閉じ込められたままとなっていました。

研究チームは、マッチの頭に含まれる硫黄のように、一般的で無害な物質を用いることで、この膠着状態を打破する方法を見出しました。元素硫黄を利用することで、彼らはポリ（ベンゾジフルランジオン）、すなわちPBFDOと呼ばれる特定の種類の高性能プラスチックを生成する新しい手法を開発しました。このプラスチックは、電気を非常に良く通す能力があることで知られています。この画期的な成果の鍵は、退屈な数週間の洗浄や危険な添加剤を必要としない化学プロセスにあります。研究者たちは、プラスチックの構成要素を硫黄とともに一つの容器の中で混合し、その混合物を加熱し、結果をろ過することで、すぐに使用可能な導電性インクを得ることに成功しました。このアプローチは、記録的な導電性を持つ材料を生み出すだけでなく、これまでの手法が直面してきた毒性の高い副産物から解放された、安全でスケーラブルな方法によって実現されました。

この解決策への道のりは、既存のプラスチック製造法が困難なトレードオフに陥っているという認識から始まりました。最高品質で最も導電性の高い材料を生み出す手法は、不純物を除去するためにジメチルスルホキシドという溶媒で数週間にわたって洗浄する必要があり、このプロセスは遅く、かつ高価でした。他の手法はより迅速でしたが、毒性のある金属や腐食性の化学物質に依存しており、大規模生産には不向きでした。研究者たちは、前進するためには、豊富に存在し、無毒であり、かつ有害な残留物を残さずに反応を促進できる触媒が必要であると悟りました。そこで彼らは、元素硫黄に注目したのです。硫黄は豊富に存在し、一般的に無害とされる材料です。

実験において、チームはプラスチックのモノマー単位を溶媒中で硫黄と混合し、その混合物を加熱しました。彼らは、硫黄がただそこに存在するのではなく、構成要素を長い鎖状へと結合させる「化学的なダンス」に積極的に参加していることを発見しました。決定的なのは、このプロセスが、制御が難しいとされるラジカル反応特有の混沌とした高エネルギーの衝突を伴わないことでした。代わりに、硫黄はその環状構造を開いて特定の中間体を形成し、それによって構成要素が秩序立てて結合することを可能にしました。この非ラジカル経路こそが、電気的性能を低下させる原因となる欠陥のない、クリーンで高品質なポリマーを作り出す鍵となりました。

鎖が成長するにつれて、硫黄は第二の、そして同様に重要な役割を果たしました。反応によって、水素硫化とジメチルスルフィドという微量のガスが自然に生成されましたが、これらのガスは材料の電気的特性を高める内部ブースターとして機能しました。これらのドーパントは反応混合物の中で自発的に生成されたため、プラスチックは最初から高性能な状態へと「ドープ」されており、別途複雑なドーピング工程を行う必要がなくなりました。

研究者たちは、最適なバランスを見つけるために様々な条件下でこの新手法をテストしました。その結果、少量の硫黄を使用するだけで反応全体を駆動できることが分かりました。これは、硫黄が化学サイクル内でリサイクルできるためです。温度と濃度を最適化した結果、彼らは2,059 S/cm（ジーメンス毎センチメートル）という、この種のプラスチックとしてこれまで記録された最高値に匹敵する導電性を達成しました。最も印象的なことに、得られた粗い混合物は単純なろ過によって大きな塊を除去するだけで済み、従来のメソッドが要求していた数週間の透析プロセスを回避できました。その結果、すぐに使用できる導電性インクが得られました。

この手法が大規模なスケールでも機能することを証明するために、チームは試験管レベルの小規模な実験から、工業生産に適した500ミリリットルのバッチへとスケールアップを行いました。この大きなサイズにおいても、材料は優れた導電性を維持し、平均して1,300 S/cmを超える値を記録しました。このインクは空気中で2ヶ月間安定しており、性能の低下もほとんど見られませんでした。これは製造における極めて重要な要件です。その後、チームはこのインクを使用して、熱を電気に変換する熱電発電機や、生体信号を感知できる有機電気化学トランジスタを含む、実際に動作する電子デバイスを構築しました。これらのデバイスは、このクラスの材料として報告されている最高水準の性能を示し、この新しい合成法が単なる理論上の好奇心ではなく、実用的な高性能材料であることを証明しました。

この研究の意義は、単に優れたプラスチックを作ることにとどまりません。毒性のある触媒を置き換え、エネルギー消費の激しい精製工程を排除することで、研究者たちは高性能な負電荷電子機器の大量生産への道を切り開きました。安価で安全な材料である元素硫黄の使用は、フレキシブル電子機器の未来が、環境に優しく、かつ産業的に実行可能な基盤の上に築かれることを示唆しています。このシンプルかつ強力な製造プロセスへの調整は、長年のボトルネックを解消し、高度でバランスの取れた電子回路の実現を現実へと近づけています。