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

In de wereld van flexibele elektronica zoeken wetenschappers al lang naar een materiaal dat elektriciteit even efficiënt kan geleiden als koper, maar met de flexibiliteit van plastic. Terwijl materialen die positieve ladingen dragen al decennia lang tot perfectie zijn gebracht, zijn hun tegenhangers die negatieve ladingen dragen, berucht moeilijk gebleken om te produceren. Deze negatief geladen dragers zijn essentieel voor het bouwen van gebalanceerde, hoogwaardige circuits, maar het creëren ervan vereiste vaak giftige chemicaliën, extreme omstandigheden of zuiveringsstappen die weken duren en enorme hoeveelheden afval genereren. Deze flessenhals heeft ervoor gezorgd dat de meest veelbelovende negatief geladen materialen opgesloten bleven in kleine laboratoriummonsters, niet in staat om de schaal te bereiken die nodig is voor real-world apparaten zoals draagbare sensoren of geprinte circuits.

Een team onderzoekers heeft nu een manier gevonden om deze impasse te doorbreken met een stof die zo algemeen en onschadelijk is als de zwavel in een luciferkop. Door elementaire zwavel te benutten, hebben ze een nieuwe methode ontwikkeld om een specifog type hoogwaardig plastic genaamd poly(benzodifurandion), of PBFDO, te maken, dat bekend staat om zijn vermogen om elektriciteit uitzonderlijk goed te geleiden. De doorbraak ligt in een chemisch proces dat het overbodig maakt om wekenlang tijdrovende reiniging of gevaarlijke additieven te gebruiken. In plaats daarvan mengden de onderzoekers de bouwstenen van het plastic met zwavel in één enkele pot, verwarmden het mengsel en filterden het resultaat om een direct bruikbare geleidende inkt te verkrijgen. Deze aanpak produceert niet alleen een materiaal met een recordbrekende geleidbaarheid, maar doet dit ook op een manier die veilig, schaalbaar en vrij is van de toxische bijproducten die eerdere methoden hebben geteisterd.

De reis naar deze oplossing begon met het besef dat bestaande manieren om dit plastic te maken vastzaten in een moeilijke afweging. De methoden die het hoogste kwaliteit, meest geleidende materiaal produceerden, vereisten dat het product wekenlang in een oplosmiddel genaamd dimethylsulfoxide werd gewassen om onzuiverheden te verwijderen, een proces dat traag en duur is. Andere methoden waren sneller, maar vertrouwden op giftige metalen of corrosieve chemicaliën die het proces onveilig maakten voor grootschalige productie. De onderzoekers realiseerden zich dat ze, om vooruit te komen, een katalysator nodig hadden die overvloedig, niet-toxisch en in staat was om de reactie aan te drijven zonder schadelijke resten achter te laten. Ze richtten hun aandacht op elementaire zwavel, een materiaal dat overvloedig aanwezig is en over het algemeen als ongevaarlijk wordt beschouwd.

In hun experimenten mengden de onderzoekers de monomeereenheden van het plastic met zwavel in een oplosmiddel en verwarmden het mengsel. Ze ontdekten dat de zwavel niet alleen maar aanwezig was; het nam actief deel aan een chemische dans die de bouwstenen aan elkaar koppelde tot lange ketens. Cruciaal was dat dit proces niet betrokken was bij de chaotische, hoogenergetische botsingen die typerend zijn voor radicale reacties, die vaak moeilijk te controleren zijn. In plaats daarvan opende de zwavel zijn ringstructuur om een specifiek intermediair te vormen dat de bouwstenen in een ordelijke manier liet samenkomen. Dit niet-radicale pad was de sleutel tot het creëren van een schoon, hoogwaardig polymeer zonder de defecten die doorgaans de elektrische prestaties verlagen.

Terwijl de ketens groeiden, vervulde de zwavel een tweede, even belangrijke taak. De reactie produceerde van nature kleine hoeveelheden waterstofsulfide en dimethylsulfide, gassen die fungeerden als interne boosters voor de elektrische eigenschappen van het materiaal. Deze gassen "dopten" het plastic spontaan, een proces dat het materiaal vult met extra elektronen en het mogelijk maakt om elektriciteit veel efficiënter te geleiden. Omdat deze dopanten rechtstreeks in het reactiemengsel werden gegenereerd, kwam het eindproduct al in een hoogwaardige staat tevoorschijn, waardoor de noodzaak voor aparte, complexe dopingstappen werd geëlimineerd.

De onderzoekers testten deze nieuwe methode onder verschillende omstandigheden om het perfecte evenwicht te vinden. Ze ontdekten dat het gebruik van slechts een kleine hoeveelheid zwavel voldoende was om de gehele reactie aan te drijven, aangezien de zwavel binnen de chemische cyclus kon worden gerecycled. Wanneer ze de temperatuur en concentratie optimaliseerden, bereikten ze een materiaal met een geleidbaarheid van 2.059 Siemens per centimeter, een cijfer dat overeenkomt met de beste resultaten die ooit voor dit type plastic zijn vastgelegd. Misschien nog indrukweender is dat het ruwe mengsel slechts een eenvoudige filtratie vereiste om grote klonten te verwijderen, waardoor de wekenlange dialyse die eerdere methoden vereisten, werd omzeild. Het resultaat was een donkere, geleidende inkt die direct kon worden gebruikt.

Om te bewijzen dat deze methode op een grotere schaal kon werken, schaalde het team het proces op van een kleine reageerbuis naar een batch van 500 milliliter, een volume dat geschikt is voor industriële productie. Zelfs bij deze grotere omvang behield het materiaal een uitstekende geleidbaarheid, met een gemiddelde van meer dan 1.300 Siemens per centimeter. De inkt bleef twee maanden lang stabiel in de lucht, waarbij er nauwelijks prestatieverlies optrad, wat een cruciale vereiste is voor productie. Het team gebruikte deze inkt vervolgens om werkende elektronische apparaten te bouwen, waaronder thermoelektrische generatoren die warmte in elektriciteit omzetten en organische elektrochemische transistoren die biologische signalen kunnen detecteren. Deze apparaten presteerden op het hoogste niveau dat voor deze klasse materialen is gerapporteerd, wat aantoont dat de nieuwe synthesemethode niet alleen een theoretische curiositeit creëert, maar een praktisch, hoogwaardig materiaal.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen het maken van een beter plastic. Door giftige katalysatoren te vervangen en de noodzaak voor energie-intensieve zuivering te elimineren, hebben de onderzoekers een pad geopend voor de massaproductie van hoogwaardige negatief geladen elektronica. Het gebruik van elementaire zwavel, een materiaal dat goedkoop en veilig is, suggereert dat de toekomst van flexibele elektronica gebouwd kan worden op een fundament dat zowel milieuvriendelijk als industrieel levensvatbaar is. Deze eenvoudige maar krachtige aanpassing aan het productieproces lost een langdurige flessenhals op en brengt de belofte van geavanceerde, gebalanceerde elektronische circuits dichter bij de realiteit.