Điện tử Pi và polyme dẫn điện

Điện tử và polymer dẫn điện Vietsciences-Trương Văn Tân Lời giới thiệu: Để kỷ niệm 30 năm ngày phát hiện polymer (plastic) dẫn điện tại Tokyo Institute of Technology (Đại học Công nghiệp Đông kinh, Nhật Bản), mà đỉnh cao là giải Nobel Hóa học (năm 2000) được trao cho các giáo sư MacDiarmid, Heeger và Shirakawa, người viết đã mạo muội phổ biến một loạt bài về các ứng dụng của polymer dẫn điện. Bài viết mang tính chất áp dụng lúc nào cũng cho nhiều màu sắc lóng lánh, tràn đầy một niềm hy vọng cho tương...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điện tử Pi và polyme dẫn điệnĐiện tử  và polymer dẫn điệnVietsciences-Trương Văn TânLời giới thiệu:Để kỷ niệm 30 năm ngày phát hiện polymer (plastic) dẫn điện tại Tokyo Institute ofTechnology (Đại học Công nghiệp Đông kinh, Nhật Bản), mà đỉnh cao là giảiNobel Hóa học (năm 2000) được trao cho các giáo sư MacDiarmid, Heeger vàShirakawa, người viết đã mạo muội phổ biến một loạt bài về các ứng dụng củapolymer dẫn điện. Bài viết mang tính chất áp dụng lúc nào cũng cho nhiều màusắc lóng lánh, tràn đầy một niềm hy vọng cho tương lai hơn là những bài viết lýthuyết khô khan. Nhưng khi nhìn lại, người viết cảm thấy mình đã đặt chiếc càytrước mũi con trâu, nói nhiều áp dụng nhưng ít thông tin về các đặc tính và lýthuyết cơ bản của polymer dẫn điện/polymer mang nối liên hợp. Chặng đường 30năm khá dài và vật liệu nầy đã nghiễm nhiên trở thành một bộ môn riêng biệttrong nghiên cứu khoa học. Thiển nghĩ, lý thuyết dù khô khan nhưng tầm quantrọng của bộ môn nầy chắc cũng không làm phí thì giờ người đọc. Bài viết sau đâylà để bổ sung các bài viết trước về mặt lý thuyết. Người viết hy vọng nó sẽ khôngkhô như mái ngói mùa hè và thích hợp cho trình độ năm cuối trung học phổ thôngvà hai năm đầu đại học. Nếu những mục tiêu nầy không đạt, xin độc giả lượng thứ.1. Dẫn nhậpCơ chế dẫn điện của polymer dẫn điện là một khái niệm mới. Nó không tuântheo cơ chế cổ điển của kim loại. Nhưng dù là khái niệm mới hay cơ chế cũ, cáchlý giải những hiện tượng dẫn điện vẫn phải dựa vào một nền tảng chung và thốngnhất. Đó là những kiến thức cơ bản trong hóa lý, về vân đạo nguyên tử, vânđạo phân tử, các loại liên kết hóa học (chemical bonding) giữa các nguyên tố vàcác mực năng lượng điện tử được thành hình trong quá trình kết hợp. Cốt lõi củanhững kiến thức nầy là các khái niệm trong vật lý chất rắn và cơ học lượng tử. Giảithích một khái niệm mới bằng một ngôn ngữ giản dị không dễ, nhưng nếu dùngnhững khái niệm đã biết để dẫn đến khái niệm chưa biết có lẽ sẽ làm ngườiđọc thoải mái hơn. Bài viết nầy được viết theo chiều hướng đó.2. Điện tử  trong nối liên hợpNối đôi của polyacetylene (PA) (Hình 1) biểu hiện sự khác biệt cấu trúc phân tửgiữa polyethylene (PE) (Hình 2) và PA. Các nối trong PE là liên kết cộng hóatrị do sự tạp chủng giữa 1 vân đạo s và 3 vân đạo p (= 4 vân đạo tạp chủng sp3) chora 4 nối  (sigma) rất bền xung quanh nguyên tố carbon (2 nối C - H, 2 nối C - C),điện tử của nối  được gọi là điện tử  [1]. Trong PA, do tạp chủng giữa 1 vân đạos và 2 vân đạo p (= 3 vân đạo tạp chủng sp2) cho ra 3 nối  (1 nối C - H, 2 nối C -C) và 1 nối  (pi) do của vân đạo pz của hai nguyên tố kề nhau tạo thành. Vì vậy,thực chất của nối đôi C = C là do 1 nối  và 1 nối . Hình 1: Cấu trúc polyacetylene Hình 2: Cấu trúc polyethyleneLiên kết  không bền, có nghĩa là điện tử  có nhiều hoạt tính hóa học, sẵn sàngphản ứng nếu có điều kiện thích hợp. Điện tử , nhất là điện tử  trong các nối liênhợp (nối đơn và nối đôi tuần tự thay nhau, - C = C - C = C –) cho nhiều hiện tượngvà áp dụng thú vị. Vì không bền nên chỉ cần một năng lượng nhỏ cũng đủ kích hoạtđiện tử  sang một trạng thái khác. Ngay trong sinh vật và thực vật, điện tử  chonhiều biến đổi kỳ diệu. Mắt của các sinh vật kể cả con người có một loại enzymegọi là retinene ở võng mạc của mắt. Retinene có cấu trúc nối liên hợp - C = C - C =C – (Hình 3). Điện tử  của retinene chỉ cần năng lượng nhỏ như năng lượng ánhsáng là có thể biến chuyển hình dạng phân tử retinene, trạng thái điện tử và điệntính của retinene, gây ra một tín hiệu truyền đến não bộ và làm cho ta thấy được.(a) (b) Hình 3: Cấu trúc (a) retinene và (b) chlorophyllThực vật có diệp lục tố (chlorophyll), cho ta màu xanh của lá. Cấu trúc của diệplục tố cũng là một cấu trúc nối liên hợp (Hình 3). Dưới ánh sáng mặt trời các điệntử  được kích hoạt để hiện tượng quang hợp xảy ra. Diệp lục tố trở thành một chấtxúc tác biến khí CO2 và nước trong không khí thành đường glucose và thải raoxygen. Glucose là nguồn năng lượng chính của thực vật. Glucose có thể trùng hợpđể biến thành tinh bột trong trái cây, các loại củ và ngũ cốc. Ngoài ra, heme tronghồng huyết cầu là phân tử vòng có nối liên hợp và chứa nguyên tố sắt. Chức năngcủa heme là tải oxygen để nuôi dưỡng các tế bào. Có thể nói rằng nối liên hợp mộtcách gián tiếp đóng một vai trò cực kỳ quan trọng để duy trì sự sống của toàn thểthực vật và sinh vật trên quả địa cầu.Chất dẫn điện và chất cách điện khác nhau ở chỗ dòng điện có thể truyền quavật chất đó được hay không. Vật chất là tập hợp của nhiều nguyên tử. Sự truyềnđiện của vật chất tùy thuộc vào bản chất và cách liên kết của các nguyên tử. Kimloại được liên kết tạo ra những điện tử tự do. Những điện tử nầy là phần tử tải điện(charge carrier). Khi có điện áp, điện tử di động và dòng điện xuất hiện. Vì một lýdo nào ...