Аккумуляторные батареи

Именно здесь впервые нашли коммерческое применение проводящие полимеры. Положительный электрод в них изготавливается из политиофена, полианилина или полипиррола. Отрицательный - из лития либо его сплавов.
При разрядке аккумуляторной батареи электроны попадают с катода на анод. При этом происходит окисление лития, переходящего в электролит в виде ионов, заряженных положительно. Другими словами, происходит восстанов-ление полимера: из него в электролит пе-реходят зарядкомпенсирующие анионы. А обратный процесс, окисление, как известно, происходит при зарядке батарей от какого-либо внешнего источника тока. В качестве электролита приме-няются твердые полимеры (для этого изготавливаются так называемые поли-мерные мембраны, которые насыща-ются солью лития) и "жидкие" - используется солевой раствор на основе пропиленкарбоната. Однако твердый электролит в силу отсутствия так на-зываемой "жидкой фазы" считается менее опасным и более удобным в использовании.

Химически модифицированные электроды

Редокс-полимеры и проводящие полимеры применяются в электрокаталитических системах в основном при создании химически модифицированных электродов. Несколько слов об их структуре.
Электроды изготавливаются из химически инертного материала, на поверхность которого затем наносится слой проводящего полимера. Последний должен быть каталитически активным по отношению к протекающей в системе электрохимической реакции. Изготовление таких электродов позволяет уве-личить число "традиционных" электродных материалов; создавать соединения с требуемыми характеристиками и свойствами; повышать избирательность действия электродных материалов.
Химически модифицированные электроды с нанесенными на них полимерами используются для катализа редокс-реакций с участием биомолекул (энзимов и коэнзимов); восстановления диоксида углерода; восстановления га-логенопроизводных предельных угле-водородов; каталитического окисления метанола и предельных углеводородов в мягких условиях.

Пленки из проводящих полимеров в управляемых оптических устройствах

Пленки из проводящих полимерных материалов имеют свойство менять оптические параметры (например, цвет) в зависимости от уровня окисления. Человек научился к XXI веку этими оптическими параметрами управлять, в частности при регулировании уровня окисления - потенциалом электрода, на поверхность которого нанесен проводящий полимерный слой, изменение потенциала происходит при подаче электросигнала. В этом случае наблюдается электрохромный эффект, при котором редокс-полимеры при переходе из окисленного в восстановленное состояние изменяют свой цвет с темно-зеленого, оранжевого, красно-коричневого, синего (в зависимости от природы металлического центра и лигандного окружения) на желтый различных оттенков.
Кроме того, электрохромные полимеры наносят с помощью электрополимеризации на так называемые прозрачные электроды, представляющие собой кварцевые пластины с напыленным слоем прозрачных электро-проводных оксидов олова и индия. С использованием данной технологии создаются электрохромные системы, которые находят широкое применение в затворных и фильтрующих оптических устройствах, а также в производстве цветных дисплеев.

Хемотронные и сенсорные устройства

Полимерный проводящий материал меняет свою проводимость в зависимости от уровня окисления, который контролируется потенциалом управляющего электрода. Это важное свойство проводящих полимеров применяется для создания микроустройств, например, электрохимических транзисторов, в которых микроскопические платиновые или золотые электроды расположены в проводящем полимере на мизерном расстоянии (около 1 мкм). Действуют подобные устройства за счет окисления или восстановления полимера, при этом происходит изменение таких параметров, как проводимость и величина тока. Но проводящие полимерные материалы, как полагают специалисты, менее удобны для применения их в микрохимических устройствах, чем редокс-полимеры. Редокс-полимеры более чувствительны к составу среды, в которой протекает реакция, а включение транзистора может осуществляться в узкой области напряжений, что позволяет более эффективно контролировать процесс. Применение редокс-полимеров не ограничивается использованием в микрохимических транзисторах. На основе редокс-полимеров уже созданы электро-химические сенсорные элементы. Это стало возможным благодаря существованию редокс-систем с различными значениями стандартных потенциалов. Создание подобных устройств стало возможным благодаря тому, что существует зависимость свойств редокс-полимера от состава и концентрации компонентов электролита (кислорода, рН). Нанотехнологии при производстве так называемых хемотронных устройств позволят уменьшить расстояния между микроэлектродами, которые в ближайшем будущем станут измеряться нанометрами. Уменьшение размеров позволит прак-тически сравнять редокс-полимеры с органическими металлами в способности проводить ток.

"Электронный нос"

Область применения проводящих полимеров расширяется за счет их использования в качестве сенсорных датчиков. Полимерные датчики могут подавать сигнал о повышении температуры (некоторые из полимеров спо-собны уменьшать проводимость при перегреве), их электрические свойства могут меняться также при наличии в окружающей их среде некоторых веществ (молекулы этих веществ при проникновении в полимер вызывают изменения).
Материалами для таких сенсоров становятся, в частности, полимеры класса индолов, тиофенолов, полипирролов, анилинов или фуранов.
Применение полимеров для опреде-ления присутствия в среде определен-ного вещества базируется на тех же мик-роэлектронных технологиях, которые использовались в прежних металлоок-сидных сенсорах.
Нужно отметить, что металлооксидные сенсоры и сенсоры на основе проводящих полимеров имеют ряд существенных отличий, в частности:
· Металлооксидные сенсоры более доступны в коммерческом плане (они чаще используются для решения прак-тических задач), полимерные пока до-ступны в меньшей степени.
· Металлооксидные сенсоры имеют предел обнаружения вещества в среде - 5-500 ррm, а сенсоры на основе про-водящих полимеров - 0,1-100 ррm.
· Иногда говорят и о разных областях их применения, например, что Металлоок-сидные используются чаще в микроэлек-тронных технологиях, а полимерные сенсоры - в технологии микропечати, сенсоры - в технологии микропечати, однако, полимерные сенсоры в последнее время завоевывают все большее место.
К минусам металлооксидных сенсоров можно отнести достаточно высокую помеховую чувствительность сенсоров этого типа к парам воды и так называемую "склонность к дрейфу базовой линии". Кроме того, специалисты отмечают у этих сенсоров и такой недостаток, как "склонность к отравлению (необратимому ингибированию) за счет летучих соединений серы и некоторых других органических соединений". Однако ши-рокое распространение именно этого типа сенсоров при всех их недостатках объясняется коммерческой доступностью и низкой стоимостью металлооксидных сенсоров.
Сенсоры на основе проводящих полимеров работают при комнатных температурах, просты в эксплуатации и наладке при использовании в портативных устройствах. Они имеют высокую чувствительность, что позволяет определять наличие в окружающей среде веществ с концентрацией от ОДррт (одна десятимиллионная), но это пока рекорд, чаще чувствительность находится в пределах 10-100 ррм.
Однако, как это всегда случается с новыми технологиями и материалами, производство полимерных датчиков дорого и трудоемко, а воспроизводимость свойств материала в серии не удается точно контролировать.
Но при всех имеющихся недостатках быстрое развитие физикохимии, без сомнения, разрешит проблемы производства полимерных сенсоров. Исследователи считают наиболее перспективным так называемый донный тип сенсоров, на базе которого в ближайшее время могут быть предложены принципиально новые технические модификации "электронного носа" для первичного выявления и идентификации практически важных веществ и их смесей (ядовитые, сильнодействующие, наркотические вещества) во внелабораторных условиях.

Роботы и очень маленькие роботы

Уже сегодня существуют роботы, при создании которых активно используются проводящие полимеры, в частности, полипирролы. До сих пор эти роботы использовались в военной разведке, но в результате неизбежной и всепроникающей конверсии теперь они приспособле-ны для выполнения мирных работ в вентиляционных трубах и... теле чело-века.
В Линкопингском университете (Швеция) ученым удалось создать микроробот, размеры которого составляют 670 х 170 х 240 мкм, что позволяет ему и его собратьям функционировать в токопроводящих жидкостях (например, крови, моче). Именно полипиррол позволил осилить новые среды: без полипирролового покрытия роботы в этих средах быстро ломались.
Полипиррол - удивительный материал. Изготовленные из него части различных устройств способны при протекании через них электротока сокращаться как мышцы. Эту способность использовали ученые при конструировании "руки" микроробота, который может "брать" и исследовать даже клетки. Такие роботы могут заменить собой лабораторию и выполнять анализы, находясь непосредственно в жидкостных средах человеческого организма.

Полипирролы в теле человека

Ученые рассматривают полипиррол как возможный материал для изготовления искусственных нервов, которые будут вживляться в организм.
Еще одно медицинское применение - лекарственные имплантаты: полимер с внедренными в него молекулами лекарственных средств сможет выделять необходимую дозу лекарств в кровь по определенной программе с помощью электрических импульсов. Прогнозируется, что электропроводящие полимеры группы полипирролов смогут излечивать периферические нервы и повреждения спинного мозга. Поли-пирролы, внедренные в нервную ткань, под воздействием электричества способны "подталкивать" разорванные нервные волокна к восстановлению. Такие результаты были получены при испы-таниях на крысах. Ученые Массачусетского технологического института и Гарвардского университета, где были получены лечебные полимеры, считают, что говорить о применении данных ор-ганических материалов в человеческом организме в ближайшем будущем рано - предстоят долгие лабораторные испытания, объектами которых станут животные.

Бытовые применения

Область применения проводящих полимерных материалов не ограничивается поражающим воображение созданием роботов и микроскопических устройств. Есть и более прозаические применения. Такие полимеры в промышленных масштабах используются как покрытия для поверхностей печатных плат, в качестве антикоррозийного покрытия трубопроводов, для установок очистки воды, жилых зданий, железнодорожных мостов, контейнеровозов.
Современное направление применения - телевизоры, радиоустройства, компьютерные мониторы, панели приборов автомобиля, солнечные батареи, мобильные телефоны. Мониторы, в том числе компьютеров, оборудуются за-щитными экранами с использованием в них все тех же проводящих полимеров. Здесь они заменяют кремний, ранее использовавшийся в офисной оргтехнике.
Используют проводящие полимеры для снятия и ограничения статического электричества - подложка фото-, видео-и другой пленки изготавливается из такого материала. Выпускаются даже окна со специальным проводящим поли-мерным покрытием, которое позволяет в зависимости от интенсивности дневного света менять пропускную способность стекла. Более того, как полагают некоторые исследователи, проводящие полимеры при быстрых темпах развития нанотехнологий позволят уменьшить размеры электронной техники (в том числе карманных компьютеров) до ми-ниатюр наподобие часов или сережек.