ساخت پلاستیک بسیار شفاف با رسانایی بالا

به‌ گزارش می متالز به‌ نقل از ایسنا، محققان دانشگاه میشیگان در تلاش برای بهبود صفحه نمایش‌های لمسی بزرگ، صفحه‌های نوری LED و سلول‌های خورشیدی مادون قرمز قابل تعبیه در پنجره‌ها، یک پلاستیک رسانای الکتریکی ساخته‌اند که در عین حال شفاف‌تر نیز شده است.

آنها با ایجاد یک سطح ضد انعکاس سه لایه بهترین تعادل بین ‌رسانایی و شفافیت را فراهم کرده‌اند. لایه فلزی رسانا که بین دو ماده "دی الکتریک" قرار گرفته است، اجازه می‌دهد تا نور به راحتی عبور کند. لایه‌های دی الکتریک، بازتاب را از هر دو لایه پلاستیک و فلز بین آنها کاهش می‌دهد.

دی‌الکتریک، یک عایق الکتریکی است که می‌تواند با اعمال میدان الکتریکی، قطبیده شود. دی‌الکتریک‌ ایده‌آل بار آزاد ندارد. هنگامی‌که یک دی‌الکتریک در میدان الکتریکی خارجی قرار می‌گیرد، بارهای آزاد القائی که در هادی‌ها به سوی سطح حرکت کرده و چگالی بار و میدان الکتریکی داخلی را صفر می‌کردند، دیگر وجود ندارند. اما چون دی‌الکتریک‌ بار مقیّد دارد، نمی‌توان نتیجه گرفت که تأثیری بر میدان الکتریکی قرار گرفته در آن ندارند.

هادی‌ها از اتم‌هایی با هسته بار مثبت و پیرامون آن الکترون‌هایی با بار منفی، تشکیل شده‌اند. اگرچه مولکول‌های دی‌الکتریک‌ها از نظر ماکروسکوپی خنثی هستند، حضور میدان الکتریکی خارجی باعث اِعمال نیرو بر بار شده و در نتیجه بارهای مثبت و منفی در جهات مخالف کمی جابجا می‌شوند. این جابجایی اگرچه نسبت به ابعاد اتمی کوچک است با این‌ حال، دی‌الکتریک را قطبیده و تولید دوقطبی‌های الکتریکی می‌کند. از آنجا که دوقطبی‌های الکتریکی دارای پتانسیل و شدت میدان الکتریکی غیرصفر هستند، دوقطبی‌های الکتریکی القا شده میدان الکتریکی را داخل و خارج دی‌الکتریک تغییر می‌دهند.

مولکول‌های بعضی از دی‌الکتریک‌ها، حتی در نبود میدان قطبنده خارجی، گشتاور دوقطبی‌ دائمی دارند. این مولکول‌ها معمولاً از دو یا چند اتم ناهمسان تشکیل شده و بر عکس مولکول‌های ناقطبیده که گشتاور دوقطبی‌ دائمی ندارند، مولکول قطبیده نامیده می‌شوند. یک مثال، مولکول آب است که از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل می‌شود. اتم‌ها خود را چنان مرتب نمی‌کنند که مولکولی با گشتاور دوقطبی‌ صفر به‌وجود آورند، یعنی اتم‌های هیدروژن، دقیقاً در طرف‌های قطری مقابل اتم‌های اکسیژن قرار نمی‌گیرند. گشتاورهای دوقطبی‌ مولکول‌های قطبیده از مرتبه ۳۰-۱۰ کولن در متر هستند. در نبود میدان خارجی، تک ‌تک دوقطبی‌های یک دی‌الکتریک قطبیده، به‌صورت اتفاقی پراکنده‌اند و گشتاور دوقطبی‌ خالص از دیدگاه ماکروسکوپی به‌وجود نمی‌آورند. میدان الکتریکی اعمال‌ شده، بر تک ‌تک دوقطبی‌ها گشتاوری وارد نموده، می‌خواهد آن‌ها را مشابه حالت بالا هم‌راستا با میدان کند.

مثالی از دی‌الکتریک، ماده عایقی است که بین صفحات فلزی یک خازن قرار می‌گیرد. قطبش این دی‌الکتریک با میدان الکتریکی اعمال‌شده، ظرفیت خازن را افزایش می‌دهد.

واژه دی‌الکتریک در پاسخ به درخواست مایکل فارادی، توسط ویلیام هیول پیشنهاد و به‌ کار برده‌ شد.

"جی گو" استاد مهندسی برق و علوم رایانه دانشگاه میشیگان که هدایت این مطالعه را بر عهده دارد، می‌گوید: ما روشی را برای ساختن روکش‌هایی با شفافیت و رسانایی بالا، تاری کم، انعطاف‌پذیری عالی، ساخت آسان و سازگاری عالی با سطوح مختلف ایجاد کرده‌ایم.

این محققان پیش از این نشان داده بودند که می‌توان یک لایه فلز را به یک ورق پلاستیکی اضافه کرد تا آن را رسانا کند که لایه‌ای بسیار نازک از نقره است که به خودی خود، انتقال نور را تقریباً ۱۰ درصد کاهش می‌دهد.

انتقال نور از میان پلاستیک کمی آهسته‌تر از شیشه است، اما شفافیت آن با پوشش‌های ضد انعکاس قابل بهبود است. "گو" و همکارش "دونگ لیو" استاد مهمان دانشگاه میشیگان از دانشگاه علم و فناوری نانجینگ چین متوجه شدند که می‌توانند یک پوشش ضد انعکاس درست کنند که رسانا هم باشد.

دی الکتریک‌هایی که این تیم برای این کار انتخاب کرده است، آلومینیوم اکسید و روی اکسید است. در طرف نزدیک به منبع نور، آلومینیوم اکسید نور کمتری نسبت به سطح پلاستیک به منبع بازتاب می‌دهد. سپس لایه فلزی تشکیل شده از نقره با مقدار کمی از مس در آن که فقط ۶.۵ نانومتر ضخامت دارد، قرار دارد و سپس اکسید روی به هدایت نور به سطح پلاستیک کمک می‌کند.

برخی از نورها در جایی که در طرف مقابل، پلاستیک با هوا ملاقات می‌کند، بازتاب می‌یابند، اما در کل، انتقال نور بهتر از پلاستیک به تنهایی است. میزان انتقال در آن ۸۸.۴ درصد است، در حالی که در پلاستیک به تنهایی ۸۸.۱ درصد است.

این تیم پیش‌بینی می‌کند که محققان دیگر بتوانند رساناهای انعطاف پذیر و بسیار شفاف را به همین شکل طراحی کنند که بیشتر از پلاستیک به نور اجازه عبور می‌دهد.

"لیو" گفت: ما به مردم می‌گوییم که یک هادی دی الکتریک-فلز-دی الکتریک برای یک هدایت الکتریکی هدفمند چگونه می‌تواند شفاف باشد. ما همچنین به آنها می‌گوییم که چگونه می‌توانند به صورت مرحله به مرحله به این انتقال بالا دست یابند.

ترفند این کار شامل انتخاب مواد دی الکتریک مناسب و سپس دریافتن ضخامت مناسب برای هر کدام است تا بازتاب نور از فلز نازک را کم کند. به‌طورکلی، مواد موجود بین پلاستیک و فلز باید از ضریب شکست بالاتری برخوردار باشند، درحالی‌که ماده نزدیک به صفحه نمایش یا منبع نور باید ضریب شکست کمتری داشته باشد.

"گو" و تمیش در حال پیشبرد این فناوری هستند و روی پروژه‌ای که از رساناهای شفاف در سلول‌های خورشیدی برای تعبیه روی پنجره‌ها استفاده می‌کند، کار می‌کنند. این رساناهای شفاف می‌توانند نور مادون قرمز را جذب کرده و ضمن نادیده گرفتن طیف نور مرئی، نور را به الکتریسیته برای روشنایی اتاق تبدیل کنند.