Son yıllara kadar bilinen organik polimerlerin hepsinin oda sıcaklığında çok düşük iletkenliğe sahip yalıtkanlar olduğu bilinmekteydi. Bu özelliklerinden dolayı polimerler uzun yıllar elektriksel açıdan yalıtkan malzeme olarak kullanılmışlardır. Polimerlerin de iletken karaktere sahip olabileceği ilk kez poliasetilen (PA) ile ilgili çalışmalarla anlaşılmıştır. İlerleyen yıllar içinde yapılan çalışmalarla farklı iletken polimerlerin sentezi ve iletkenlik değerlerinin artırılması yönünde önemli gelişmeler gözlenmiştir.
Konjuge π bağlarına sahip olan anilin, pirol, furan, tiyofen, inden ve azulen gibi organik maddelerden iletken polimerler sentezlenmiştir.
İletken polimer terimi, elektriği dağıtabilen veya iletebilen özel polimerler olarak geniş manasıyla tanımlanmıştır fakat bu terim gerçekte tamamıyla farklı iki tür polimeri içerir.
Birinci tür polimerler karbon siyahı, metal tabakaları ve metal fiberleri gibi iletken dolgu maddeleri ile birleştirilmiş polimerleri içerir ve bunların çoğu ticari polimerler olarak kullanılırlar.
İkinci tür polimerler ise kendiliğinden iletken polimerler olup, kimyasal yapıları nedeniyle kendi molekül zincirleri boyunca elektriği dağıtabilen veya iletebilen polimerlerdir.
İletken polimerlerin çeşitli dopantlar kullanılarak katkılanması ile elektriksel iletkenliklerinin neredeyse metallerle kıyaslanabilecek kadar yüksek olduğu görülmüştür. Metallerin, polimerlere göre elektriksel özellikleri, üstün dirençleri ve genleşme avantajları yanında ağır, pahalı ve korozyona meyilli olmaları gibi dezavantajları bulunmaktadır. Benzer şekilde metalik yapıdaki yarı iletkenlerin de kırılgan olmaları, saflaştırma ve işlenmelerinin güç olması gibi olumsuzlukları vardır. Polimerler ise işlenme kolaylığı, mekanik davranışları, esnek yapıları ve düşük yoğunluğa sahip olmaları gibi avantajlarla ön plana çıkmışlardır.
İletken polimerler elektriksel etkilerle kimyasal, elektriksel, optik ve mekanik özelliklerinde değişime uğrarlar. Bu özellikleri sayesinde bu polimerler çeşitli akıllı cihazların yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Elektrokimyasal olarak indirgenip yükseltgenirken optik özelliklerindeki, dolayısıyla renklerindeki değişim (elektrokromizm) sebebiyle iletken polimerler akıllı camlarda, polimerik data depolama cihazlarında, OLED’lerde, yapay kaslarda, süperkapasitörlerde, biyosensör uygulamalarında, akıllı camlarda ve birçok teknolojik uygulamalarda kullanılabilmektedir. Bu teknolojik uygulamalar için istenilen özelliklere sahip polimerlerin sentezi için monomer dizaynı çok önemlidir.
Yaygın olarak kullanılan iletken polimerler
İletken polimer sentezi için; elektrokimyasal polimerizasyon, kimyasal polimerizasyon, piroliz, katalitik polimerizasyon (Ziegler – Natta katalizörlü) gibi birçok yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan en yaygın olanı kimyasal ve elektrokimyasal yöntemlerdir.
Bazı İletken Polimerler ve Genel Uygulama Alanları
İletken polimer çalışmaları ile ilgili bir takım çalışmalara bakacak olursak ;
Yeşil kimya ile iletken polimer sentezi ve elektrokromik özellikleri
Metin AK, Tuğba SOĞANCI, Ogün GÜMÜŞAY, Sibel ÇUKURLUOĞLU – Pamukkale University Journal of Engineering Sciences Synthesis of conducting polymer with green chemistry and its electrochromic properties
Bu çalışmada, iletken polimerler organik çözücüler (diklorometan, asetonitril, kloroform vb.) yerine polistirensülfonikasit yardımıyla hazırlanan sulu dispersiyonunun elektrokimyasal olarak polimerleştirilmesiyle elde edilmiştir. Böylelikle suda çözünmeyen bir monomer, çevre ve insan sağlığına zararlı organik çözücüler yerine sulu ortamda polimerleştirilmiştir. Ayrıca sulu ortamda elde edilen iletken polimerin organik çözücü varlığında elde edilen iletken polimere göre optik ve elektriksel özelliklerinin daha üstün olduğu saptanmıştır. Bu makale ile çevre ve insan sağlığına zararlı organik çözücülerde sentezlenen diğer iletken polimerlerin de sulu ortamda sentezlenebileceği ve elde edilen polimerlerin teknolojik uygulamalarda kullanımı için çok önemli olan optik ve elektriksel özelliklerinin daha üstün olabileceği gösterilmiştir.
İletken Polimerlerin akıllı camlarda kullanımıTermoelektrik Enerji Üretimi İçin İletken Polimerler
Meetu Bharti Ajay Singh Soumen Samanta D K. Aswal – Progress in Materials Science – Volume 93, April 2018, Pages 270-310
Son on yıl boyunca iletken polimerlerin, elektronik, süperkapasitörler, sensörler ve transistörler gibi çeşitli cihazlara dönüştüğü gerçeğine rağmen, termoelektrik enerji üretimi alanındaki çalışmaları eksiktir. Bu makale, özel yapısal ve fizikokimyasal özelliklerine bağlı olarak çeşitli iletken polimerlerin termoelektrik performansı ile ilgili kapsamlı bir çalışmadır. Termoelektriklerdeki son eğilimler şu şekilde tartışılmaktadır:
1- Termoelektrik performansı etkileyen faktörler
2- Güç faktörünün iyileştirilmesi için gerekli stratejiler (içsel düşük termal iletkenlik nedeniyle)
3- Halen devam eden zorluklar.
Bu çalışma iletken polimerlerin, çeşitli rapor edilen mimari tasarımları özetleyerek, verimli termoelektrik jeneratörlerine nasıl uygulanabileceğinin vurgulanması için girişimlerde bulunulmuştur. Bu cihazlar, giyilebilir tıbbi sensörleri ve akıllı elektronik cihazları güçlendirmek için düşük sıcaklıktaki ısıya (örneğin vücut / cihazların ısı, jeo-termal / okyanus ısıları vb.)
Biyomedikal Uygulamalar İçin Biyobozunur ve Elektrik İleten Polimerler
Baolin Guo Lidija Glavas Ann-Christine Albertsson – Progress in Polymer Science, Volume 38, Issue 9, September 2013, Pages 1263-1286
İletken polimerler biyosensörler ve doku mühendisliği gibi biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak bunların bozunabilirlikleri hala bir sınırlama teşkil etmektedir. Bu nedenle, yeni geliştirilen, bozunabilir ve elektriksel olarak iletken polimerlere (DECP’ler) yönelik büyük bir dikkat gösterilmiştir. İletken oligomerleri içeren bozunabilir ve iletken polimerlerin sentezi için farklı stratejiler geliştirilmiştir.
Bu makalede doğrusal, yıldız şekilli, aşırı dallı ve çapraz bağlanmış DECP’ler gibi farklı makromoleküler yapıların etkisi burada anlatılmıştır. Biyobozunur ve iletken polimerlerin karışımları ve kompozitleri de ayrıca tartışılmaktadır.
İletken Polimer / PtCo Hibridlerinden Film Tipi Yağmur Enerji Dönüştürücüleri
Yingli Wang Jialong Duan Yuanyuan Zhao Haiwen Yuan Benlin He Qunwei Tang – Applied Energy – Volume 218, 15 May 2018, Pages 317-324
Doğadan enerji üretimi, enerji krizi ve çevre kirliliği sorunlarını çözmek için umut vericidir. Bu çalışmada, yağmurlu atmosferde elektrik üretmek için polipirol (PPy) / PtCo, polianilin (PANi) / PtCo ve poli (3,4-etilendioksitiofen) (PEDOT) / PtCo dahil olmak üzere iletken polimer (CP) / PtCo hibritlerinden film tipi yağmur enerji dönüştürücüler geliştirilmiştir. Bu film tipi yağmur enerji dönüştürücüleri, film yüzeyinin zenginleştirilmiş elektronları ile sinyal değerlerini ve daha fazla elektrik çıkışını belirgin bir şekilde yükseltebilir ve bu nedenle, bol yağış alan alanlarda elektrik üretmelerini mümkün kılabilir.
SONUÇ :
İletken polimerler yeni, üstün ve teknolojik uygulamalar için yeri geldiğinde kimyasal yapısında modifikasyonlar yapılarak kullanılabilecek anahtar malzemelerdir. Günümüzün gerektirdiği taşınabilir, maliyeti düşük her türlü ortama hacimce uyum sağlayabilen, elektriksel ve mekanik tersinir olabilen, elektrokimyasal, optiksel, termal olarak kararlı iletken polimerler enerji depolama konusunda da üstün özelliklere sahiptir.
Elektriksel uygulamalarda hem tekniksel hem de ekonomik avantajları olan bu malzemeler güç uygulamaları, bilgisayar hafızası koruyucu, mikroçipler, yakıt hücreleri ve bataryalarda süperkapasitör vazifesi görerek bataryalar ve bilindik kapasitörlere oranla 20-200 kat arasında verimli enerji depolama görevinde kullanılabilirler. İletken polimerler ışık saçan diyotlar, güneş panelleri, elektrokromik, biyosensör özellikleri ile bu gibi veya diğer elektronik uygulamalara entegre edilerek hayatımızı daha çok kolaylaştırabilecek potansiyel malzemelerdir.
Kaynaklar : 1- Yingli Wang Jialong Duan Yuanyuan Zhao Haiwen Yuan Benlin He Qunwei Tang – Applied Energy – Volume 218, 15 May 2018, Pages 317-324
2- Baolin Guo Lidija Glavas Ann-Christine Albertsson – Progress in Polymer Science, Volume 38, Issue 9, September 2013, Pages 1263-1286
3- Meetu Bharti Ajay Singh Soumen Samanta D K. Aswal – Progress in Materials Science – Volume 93, April 2018, Pages 270-310
4- Metin AK, Tuğba SOĞANCI, Ogün GÜMÜŞAY, Sibel ÇUKURLUOĞLU – Pamukkale University Journal of Engineering Sciences Synthesis of conducting polymer with green chemistry and its electrochromic properties
5- Buket Bezgin Çarbaş – CONJUGATED POLYMERS AND THEIR ENERGY APPLICATIONS -Volume:3 Issue:1 (2016) 46–60 – 3rdAnatolia Energy Symposium Special Issue
