Учёные из британского Университета Суррея создали нанокомпозитный полимерный материал, который светит в сто раз ярче, чем обычные полимерные светодиоды. Более того, применение углеродных нанотрубок позволило существенно увеличить срок службы полимера. Учёные надеются создать с помощью нового материала принципиально новые осветительные устройства и плоские дисплеи, светоизлучающим элементом которых будут светодиоды.
Панели на основе органических светодиодов (OLED) на сегодняшний день обладают одним существенным недостатком — коротким сроком службы, особенно для полимеров, излучающих в синем диапазоне видимого света. Короткий срок службы ограничивает круг применения таких панелей лишь небольшими устройствами — дисплеями мобильных телефонов, портативных плейеров, автомагнитол и так далее.
Внедрение нанотрубок в объем полимерного материала группой британских исследователей имело целью именно увеличение срока его службы. Эффект увеличения продолжительности жизни органических молекул в данном случае может быть связан с проявлением новой многомерной структуры химических связей, а также с возникновением квантовых эффектов, способных повлиять на механизмы переноса заряда и испускания фотонов.
Как признает Саймон Хейнли, один из руководителей международного проекта, включающего научные группы из Британии, США и Китая, идея применить нанотрубки в качестве наноразмерного наполнителя полимерной матрицы сама по себе не нова. Большое количество исследователей во всем мире, бьющихся над улучшением свойств современных органических светодиодов, пытались найти применение перспективному материалу. Однако многочисленные неудачи этих проектов были связаны с тем, что в объеме полимера нанотрубки функционируют в качестве «захватов» носителей заряда.
Ковалентную химическую связь можно грубо себе представить в виде равномерного распределения электронной плотности (или попросту электронов) между двумя атомами. Такая связь образуется в результате перекрывания орбит электронов, находящихся на самом верхнем (валентном) энергетическом уровне атомов. Связь углерод-углерод в графите и многостенных нанотрубках образована двумя типами перекрываний: «сигма» и «пи».
«Сигма»-перекрывание образует повышенную плотность электронов на оси между атомами, проходящей через центры ядер. «Пи»-перекрывание образует повышенную электронную плотность в пространстве между слоями графена. Отличием «пи»-связей в графите и нанотрубках является перекрывание электронных орбит не только соседних, но и всех атомов углерода, образующих слои. Таким образом, между слоями образуется непрерывная череда делокализованных орбиталей, служащих прекрасным проводником для электронов.
Как показали ученые, это препятствие можно обойти.
Перед тем как внедрить нанотрубки углерода в объем полимера, они подвергали их химической обработке с помощью кислот. При этом, как правило, происходит частичное разрушение поверхностных двойных связей углерод-углерод. Именно это обстоятельство, по мнению ученых, и привело к возникновению нового механизма транспорта электронов к светоизлучающим областям полимерных молекул. Эффективность излучения при этом увеличилась в 100 раз по сравнению с обычным полимерным материалом.
Кроме того, как и ожидали ученые, внедрение нанотрубок из углерода позволило заметно снизить скорость деградации макромолекул полимера вследствие процесса светоиспускания.
В перспективе OLED-технологии должны практически полностью вытеснить доминирующие в наши дни жидкокристаллические (ЖК) панели благодаря ряду принципиальных преимуществ. Изображение в ЖК-мониторах и телевизорах получается пропусканием белого света через слои матриц, поляризующих и фильтрующих электромагнитное излучение. Ни одна современная люминесцентная лампа не позволяет получить идеального «белого» излучения, что существенно осложняет задачу достоверной цветопередачи.
Полимерные светодиоды же, в свою очередь, являются самостоятельными источниками монохроматического света подобно люминофорам, применяющимся в электронно-лучевых трубках старых мониторов и телевизоров. Это обуславливает существенно большую достоверность их цветопередачи, яркость и контрастность. Кроме того, OLED-дисплеи потребляют меньшее количество энергии по сравнению с ЖК-панелями именно ввиду отсутствия необходимости дополнительной подсветки.
Применение органических светодиодов позволит не только сделать мониторы намного тоньше, но также сделает их гибкими — их можно будет сгибать и скручивать.
Композитными материалами изначально было принято называть неоднородные сплошные конструкционные материалы, состоящие из двух или более компонентов. Компоненты эти, как правило, можно условно разделить на армирующие - придающие материалу необходимые механические характеристики и связующие - определяющие совместное функционирование армирующих материалов. Такая организация структуры позволяет создавать материалы, не только обладающие объединенными свойствами индивидуальных компонентов, но и получить характеристики, не свойственные изолированным компонентам.
Композиционные материалы сейчас используются практически повсеместно, являясь прекрасными несущими конструкциями при строительстве жилых и промышленных зданий, автомобилей и авиатехники и так далее. С приходом нанотехнологий активное распространение получил термин «нанокомпозиты». Этот термин означает, что один из главных компонентов присутствует в материале в форме наноразмерных объектов.
Примером такого нанокомпозитного материала является разработанный в Германии цемент, содержащий углеродные нановолокна. По утверждению компании-разработчика этот цемент не только обладает превосходными прочностными характеристиками, но и способен выдержать небольшие деформации. Обычный же цемент, как мы знаем хоть и тверд, но хрупок.
Благодаря применению наночастиц широкое распространение получили не только конструкционные нанокомпозитные материалы, но и функциональные. Функциональными они называются потому, что могут выполнять какую либо функцию: проводить электрический ток, световые волны, служить мембраной и так далее. Интерес к функциональным нанокомпозитам растет день ото дня, так как создание новых материалов открывает совершенно иные перспективы развития мировой промышленности, создания новых технологий.
Но и это еще не все. Современные концепции дисплеев на основе органических светодиодов подразумевают традиционное применение трех независимых матриц, испускающих свет в красном, синем и зеленом диапазонах, из которых и складывается весь видимый спектр.
Исследования же известного отечественного ученого Андрея Алешина, одного из победителей конкурса русских инноваций в 2006 году и руководителя научной группы в Санкт-Петербургском политехническом институте, позволят вместо трех матриц использовать одну-единственную.
Благодаря внедрению все тех же неорганических наночастиц ему удалось получить композитный полимерный материал, спектр испускания которого зависит от приложенного электрического поля. Таким образом, один и тот же пиксель монитора сможет светить и красным, и зеленым, и синим. В настоящее время все ведущие мировые научные державы, включая Россию, имеют примерно одинаковый научный задел в области полимерных светодиодов. Сможем ли мы составить конкуренцию США, Японии и Китаю в дальнейшем — покажет время.
