Forskare vid Chalmers har tagit fram ett recept och tillverkningsmetod för giftfri elektriskt ledande plast som kan användas till allt ifrån sensorer som övervakar vår hälsa till självkylande kläder eller elektroniska klistermärken på huden som skickar värden direkt till mobilen.
Nu presenterar forskare på Chalmers ett banbrytande recept för att enklare kunna tillverka den eftertraktade plasten i större kvantiteter och utan giftiga kemikalier – på ett mer kostnadseffektivt sätt.
– När vi kommer upp i volym går det att arbeta med materialet på ett helt annat sätt. Det krävs större mängder för att kunna utveckla de olika användningsområden som finns, exempelvis inom bioteknologi, energilagring och bärbar elektronik, säger Christian Müller, professor vid institutionen för kemi- och kemiteknik och vetenskaplig ledare för en studie som nyligen publiceras i Science Advances.
I labbet i kemihuset på Chalmers visar doktoranden Joost Kimpel den guldglittrande massan som följsamt låter sig formas av de handskklädda fingrarna. Hundra gram av den elektriskt ledande plasten skulle idag kosta runt en miljon kronor på marknaden; ungefär tio gånger så mycket som äkta guld. Men för den mänskliga kroppen är det just frånvaron av metaller som gör materialet så värdefullt.
– Medan vissa metaller kan rosta i fuktiga miljöer, är elektriskt ledande plast ett organiskt material som trivs i kroppen och som kroppen trivs med. Materialet påminner om kroppens egna vävnader, samtidigt som det är en halvledare. Det är dessutom en miljömässig fördel att man inte behöver använda de sällsynta jordartsmetaller som krävs för dagens elektronik, säger Joost Kimpel, huvudförfattare till den nya studien.
Uppkopplade elektroniska klistermärken
Intresset för elektriskt ledande plast, eller konjugerade polymerer som är den vetenskapliga benämningen, är enligt Chalmers stort och användningsområdena många – inte minst inom bioteknologi. Enligt forskarna kan det exempelvis handla om sensorer som övervakar sjukdomstillstånd, ger information om kondition och hälsa eller som levererar läkemedel vid svårbehandlade sjukdomar. Med sådan teknologi kan kroppen kopplas samman med annan bärbar elektronik, och till och med våra mobiltelefoner.
Elektroniskt ledande plast kan också användas till olika former av implantat eller printas till exempelvis elektroniska plåster som kan upptäcka en infektion.
Forskning om elektriskt ledande plast pågår på många håll i världen. Christian Müllers grupp har utforskat den här typen av material under mer än tio år och har gjort flera viktiga framsteg inom fältet.
Oväntat labbresultat bakom framsteget
Nyckeln till den nya tillverkningsmetoden hittades dock av en lycklig slump – vid ett rutinmässigt försök i labbet. När en kemisk reaktion gick för fort och plasten blev klar för snabbt, kom tanken på att sänka värmen i processen. Det blev startskottet som ledde till att materialet nu kan tillverkas i rumstemperatur – i betydligt färre steg, med lägre energiåtgång och utan giftiga kemikalier.
– Ingredienserna i vårt ”recept” är milda och kan användas inom industrin, till skillnad från de mycket giftiga ämnen som måste användas idag. Att undvika gifter i tillverkningen betyder en säkrare arbetsmiljö för personalen, ger konsumenten trygghet och underlättar återvinning. Dessutom kan kostnaderna sänkas radikalt, eftersom giftiga ämnen kräver avancerad hantering, inte minst när det gäller skyddsprocedurer, förvaring och deponering av restprodukter, säger Joost Kimpel.
Stort intresse för den nya metoden
Trots att studien är alldeles ny har forskarna redan märkt av ett stort intresse, inte minst genom att många forskare från andra universitet har hört av sig. Nu hoppas de att den nya tillverkningsmetoden ska kunna ta den elektriskt ledande plasten ut i samhället.
– En viktig upptäckt med den här studien äratt produktionsmetoden gör den elektriskt ledande plasten mycket bättre, vilket också betyder att elektroniken som använder de här materialen kan bli mer kraftfull, säger Christian Müller.
Nästa steg i forskningen blir att arbeta vidare med en metod som gör det möjligt att producera ännu större volymer – utan avbrott och med exakt samma resultat varje gång.
– Möjligheterna är stora, men där är det upp till samhället och marknaden vad som tas fram. Det är ett stort steg från labb till industri, men vi hoppas att den nya tillverkningsmetoden ska kunna bidra med mycket nytta, säger Christian Müller.
Mer om elektriskt ledande plast:
Den elektriskt ledande plasten går även under namnet konjugerade polymerer. Konjugerade polymerer är halvledare och har egenskaper som gör det möjligt att tillverka en ny sorts teknologi – organisk elektronik – som kan användas inom många olika områden som omvandling och lagring av energi, bärbar elektronik, elektroniska textilier och bioteknologi i anslutning till eller nära kroppen.
Till skillnad från oorganiska material, som metaller, går de konjugerade polymererna att få flexibla och mjuka. De kan appliceras på ytor som film i solceller och är kompatibla i kontakt med vätskor som svett och blod vilket är viktigt för bioelektronik. Det har bedrivits forskning under längre tid för att få konjugerade polymerer stabila och förbättra deras elektiskt ledande egenskaper.
Upptäckten att vissa typer av plast kan leda elektricitet gjordes redan under 1970-talet och belönades med Nobelpriset i kemi år 2000 och pristagarna var Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid och Hideki Shirakawa.
Mer om forskningen:
Den vetenskapliga artikeln Open-flask, ambient temperature direct arylation synthesis of mixed ionic-electronic conductors har publicerats i Science Advances. Författarna är Joost Kimpel, Youngseok Kim, Hannes Schomaker, Diego R. Hinojosa, Jesika Asatryan, Jaime Martín, Renee Kroon, Michael Sommer och Christian Müller.
Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Linköpings universitet och AutoSyn AB i Sverige, Technische Universität Chemnitz, Tyskland och Universidade da Coruña, Spanien.
Forskningen är finansierad av EU-programmet Horisont 2020, Europeiska forskningsrådet, ERC och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
Mer om metoden: Så går det till att tillverka elektriskt ledande plast
Grundmaterialen har sitt ursprung i de aromatiska föreningarna thienothiophene och bithiophene, som är grundläggande byggstenar i många organiska halvledare. Dessa ämnen, och en palladiumkatalysator, blandas i det skonsamma lösningsmedlet N-butyl-2-pyrrolidon.
Nästan omedelbart börjar den genomskinliga lösningen ändra färg när byggstenarna sätts samman till polymerkedjor. Dessa större och längre molekyler utgör basen för den elektriskt ledande plasten.
När färgen gått från gult till djupt röd och sedan till djupt lila är reaktionen klar. Därefter tvättas blandningen med flera olika lösningsmedel för att avlägsna orenheter, innan lösningsmedlen slutligen tas bort genom rotationsindunstning – en metod som liknar destillation.
Efter separationen återstår en guldglimrande massa, en antydan om att materialet är elektriskt ledande. Tillverkningen av den elektriskt ledande plasten är klar.
