Хиральность полимеров неожиданно повышает проводимость после легирования

Пути сборки PE₂-biOE2OE3 в растворе 1,4-диоксана, диглима и 1,3-диоксана. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62915-3

Новое исследование знаменует собой значительный шаг вперёд в позиционировании синтетических полимеров как альтернативы дорогим и неустойчивым минералам, используемым при производстве таких устройств, как проводники, транзисторы и диоды.

Эти новые модифицированные полимеры, разработанные профессорами Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне Ин Дяо и Хоакином Родригесом Лопесом в сотрудничестве с Жан-Люком Бредасом из Университета Аризоны, Джоном Рейнольдсом из Технологического института Джорджии и Дали Саном из Университета штата Северная Каролина, обладают особыми свойствами, обеспеченными контролируемой хиральностью и химическим легированием. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Понимание хиральности и легирования в полимерах

Хиральность, которая может возникать из-за устойчивого скручивания основной цепи полимера, является одной из природных стратегий создания сложных структур. Одно из преимуществ хиральности заключается в том, что она позволяет материалам эффективно направлять электричество, транспортируя электроны с одинаковым направлением спина — или квантовым состоянием.

Легирование — добавление химических веществ для улучшения характеристик — давно используется для повышения проводимости в полупроводниках; однако исследования и разработки в области легирования полимерных полупроводниковых молекул отставали.

Различные пути сборки PE₂-biOE2OE3 в растворе и их влияние на хиральность плёнки и проводимость. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62915-3

Неожиданные результаты

«Мы были очень удивлены, обнаружив, что структурная хиральность, которая до сих пор не считалась параметром, релевантным для легирования, значительно усиливает химическую реакцию, контролирующую легирование в полимерах», — сказала Дяо, профессор химической и биомолекулярной инженерии в Иллинойсе.

В лаборатории исследователям удалось скручивать полимеры с использованием различных методов обработки растворителями, делая это контролируемым образом и одновременно измеряя проводимость полимеров.

«В наших предыдущих исследованиях было обнаружено, что увеличение хиральности вредно для подвижности зарядов, — объяснила Дяо. — Это происходило потому, что такое скручивание вызывало большую локализацию зарядов, снижая их способность свободно перемещаться по материалу, что уменьшало подвижность и общую проводимость».

Однако текущие результаты демонстрируют удивительный разворот: после легирования полимера увеличение хиральности приводит к более высокой проводимости.

Неотвеченные вопросы

Команда Дяо и Родригеса Лопеса заявила, что они не уверены в том, как и почему это происходит. Основной предложенный механизм — что хиральность влияет на спин электронов, усиливая проводимость во время легирования — остаётся гипотезой.

«Требуется больше исследований, чтобы прояснить точные процессы, происходящие, когда хиральность настраивает проводимость в легированных полимерах, и для перехода к коммерческим технологиям нам потребуются дальнейшие исследования и валидация, — сказала Дяо. — Наша задача в будущей работе будет заключаться в научном доказательстве механизма, который мы предположили, и в исследовании практического применения этого явления».

Больше информации: Zhuang Xu et al, Supramolecular chirality largely modulates chemical doping of conjugated polymers, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62915-3

Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign