08.02.2011 12:45
Popid polümeerid pakuvad huvitavat tulevikku
Terje Raudsepp uuris oma doktoritöös elektrit juhtiva
polümeeri polüpürrooli omadusi, millel on palju võimalikke kasutusalasid
militaarsest kaitseriietusest kuni kunstlihasteni.
Elektrit juhtivad polümeerid on populaarsed
uurimisobjektid, sest neid on lihtne valmistada ning nende tehnoloogilised
rakendused on perspektiivikad. Tänu oma püsivale ning heale elektrijuhtivusele
ning stabiilsusele on polüpürrool üks lootustandvamaid. Näiteks saab polüpürrooli elektrijuhtivust
muuta mitme suurusjärgu ulatuses, elektriisolaatorist kuni pooljuhini välja.
Seni on polüpürroolist valmistatud spetsiaalset kangast,
millest tehakse militaarotstarbelisi rõivaid ja maskeerimiskatteid eesmärgiga
hajutada radari- ja infrapunakiirgust. Sellises riietuses muutub inimene
jälgimisseadmetele nähtamatuks ning samamoodi saab polüpürrooliga kaetud
lennukeid varjata radarite eest.
Materjali võimalikud kasutusalad laienevad järjest. «Viimastel
aastatel on avaldatud juba artikleid, kus polüpürrooli püütakse kasutada
närvirakkude sidumiseks,» rääkis vastne doktor Terje Raudsepp(pildil). On leitud, et elektrilisi impulsse, mida kannavad
edasi närvirakud, on suutelised edasi kandma ka polüpürrooli ahelad.
Raudsepa sõnul on eriti ahvatlev võimalus valmistada
polüpürroolist odavaid mehaanilistele deformatsioonidele vastupidavaid
pooljuhtseadmeid. «Üheks huvipakkuvamaks rakenduseks oleks näiteks õhukeste
painduvate mobiiltelefonide ekraanide valmistamine,» sõnas autor.
Juhtivaid polümeere saaks põhimõtteliselt kasutada
akudes, sest nad on tühjaks- ja täislaetavad. Näiteks oleks võimalik sellest
materjalist valmistada elektriautode kondensaatoreid.
Samuti võib polüpürrool kokku tõmbuda või paisuda, mis annab
lootust neid kunagi kasutada kunstlihaste materjalina. «Võib-olla kunagi
tulevikus luuakse kunstlihas, mida on võimalik elusorganismi siirdada, kuid
niipea seda siiski ei juhtu.» Põhimõtteliselt on võimalik polüpürroolist
valmistada seadmeid, mida saab meditsiinis kasutada dosaatoritena.
Raudsepa hinnangul võib meditsiin olla üks valdkond,
mille jaoks hakatakse tulevikus kõige rohkem polüpürrooli rakendusi välja
töötama. «Polüpürrool on materjal, mida tasub uurida ja millel on tulevikku,»
sõnas ta.
Alusuuring tuleviku
tarbeks
Raudsepa doktoritöö ei olnud aga rakenduslik, vaid
alussuuring, mida saab aluseks võtta hilisemate rakenduste väljatöötamiseks.
«Alusuuringud annavad arusaamise, miks ja kuidas protsessid toimuvad.» Raudsepa
uuringu tulemused võivad avaldada olulist mõju paljude uurijate seniste tööde
metoodikale ja tulemuste tõlgendamisele.
Raudsepp keskendus doktoritöös polüpürroolist kilede
omaduste muutustele, mis leiavad aset erinevate elektrolüütide lahustes.
«Uurisin, kuidas käituvad erinevad kiled sõltuvalt sünteesitingimustest ning
milliste omadustega kiled tekivad,» selgitas autor. Eelkõige uuris Raudsepp
kiledes redoksomadusi ehk redutseerimise võimet, ioonide liikuvust ja
ioonivahetust kiles.
Sünteesimeetod
Selleks, et polüpürrool elektrit paremini juhiks, on
vajalik ahelas mõne vaba laengukandja tekitamine ehk mõne elektroni
eemaldamine. Dopeerimine on protsess, mille käigus elektronid eemaldatakse ja
sünteesilahuses olevad anioonid sisenevad polümeeri. Polümeeri sisenenud anioone
tuntakse dopantide nime all. Dopantanioonid tasakaalustavad polüpürrooli
ahelatele oksüdeerumise käigus
tekkinud positiivset laengut ning mõjutavad materjali struktuuri ja
teisi omadusi.
Polüpürrooli saab sünteesida peale elektrokeemiliste
meetodite ka keemiliste meetoditega. Elektrokeemiline sünteesimeetod on
keemilisest parem, sest seda kasutades on võimalik tekkiva materjali omadusi
suhteliselt lihtsalt kontrollida ja opereerida väga väikeste kogustega.
Raudsepp sünteesis eri paksusega kilesid elektrokeemiliselt
konstantsel voolutihedusel ehk galvanostaatilisel meetodil. «Nii on kile paksus
kontrollitav, sest on välja pakutud, et teatud sünteesilaengu hulgale vastab
teatud kile paksus.» Kilede sünteesimisel kasutati kolme aniooni:
benseensulfonaati, para-tolueensulfonaati, naftaleen-1,5-disulfonaati.
Sünteesijärgselt on polüpürrool oksüdeeritud ja elektrit
juhtivas olekus, tema ahelal on positiivsed laengud. Pärast sünteesi on
võimalik kilet redutseerida ja oksüdeerida ning sõltuvalt sellest muutuvad ka polümeeri
omadused. Mis täpselt juhtub redutseerimise ja oksüdeerimise käigus, sõltub
juba ioonide liikuvusest kiles.
«Uurimuse raames püüdsime me ära kasutada tekkinud
polümeeri häid omadusi ehk head juhtivust, plastilisust ja stabiilsust ning
siduda neid väikeste ioonide parema liikuvusega.» Selle eesmärgi
saavutamiseks vahetati sünteesi
käigus kilesse sisenenud ioone teiste väiksemate ioonide vastu.
Tavaliselt uuritava materjali kirjeldamiseks ainult ühest
meetodist ei piisa, mistõttu kasutati erinevad meetodeid materjali uurimiseks.
Raudsepp kasutas polüpürrooli elektrokeemiliste omaduste uurimiseks tsüklilise
voltamperomeetria meetodit.
Huvitavad tulemused
Eksperimentaalsed uuringud näitasid, et võrdlemisi
sarnaste dopantioonidega sünteesitud kiledel on üsna erinevad elektrokeemilised
omadused sõltuvalt lahuse koostisest ning paksusest. Mõõtmised näitasid, et
aromaatsete dopantidega dopeeritud kilede redoksaktiivsust on võimalik
oluliselt suurendada ümberdopeerimisega. Redoksaktiivuse all mõisteti antud
töös redutseerumiseks ja oksüdeerumiseks kulunud laenguhulkasid. Ümberdopeerimine on protsess, kus
sünteesi käigus algselt kilesse sisenenud anioonid vahetatakse välja teist
tüüpi anioonide vastu.
Suurim redoksaktiivsus saavutati kõikide kilede korral
naatriumsulfaati sisaldavas lahuses. «Mõõtmisest saab järeldada seda, et kui me
kasutame väiksemaid ioone ehk vahetame suuremad väiksemate vastu, siis kilede
redoks-mahtuvus suurenes, enamikel juhtudel peaaegu kaks korda.»
Kahjuks ei realiseeru polümeeride korral kogu laeng ehk
kogu polümeer ei ole elektrokeemiliselt aktiivne. Ümberdopeerimise tulemused
näitasid aga seda, et on võimalik saavutada olukord, kus kogu polümeer on
elektrokeemiliselt aktiivne, mistõttu on perspektiivis võimalik kasutada neid kilesid
keemilistes vooluallikates. Mõõtmistulemused näitasid, et dopeerimisastmed
nende kilede korral olid suhteliselt kõrged ning ületavad seni teadaolevaid
tulemusi.
Kommentaar
Jüri Tamm
emeriitprofessor, anorgaanilise keemia vanemteadur,
doktoritöö juhendaja
Terje Raudsepp uuris oma doktoritöös kompleksselt
polüpürrooli elektrokeemilisi omadusi ja tema töö on suure teadusliku
väärtusega. Nagu rõhutas ka üks oponentidest, professor Mikhael Levi, on töös
püstitatud konkreetsed eesmärgid ja need sihikindlate uuringutega ka
lahendatud. Tuleb rõhutada autori väga häid eksperimenteerijavõimeid.
Ma olen veendunud, et maailmas ei ole just palju
uurimiskeskusi, kus juhtivate polümeeride uuringud on tehtud nii suure
reprodutseeritavusega. Saadud tulemused võivad avaldada olulist mõju paljude
uurijate tööde metoodikale ja tulemuste interpreteerimisele. Doktoritöös on
selgelt näidatud, et ioonide vahetus polümeeri ja lahuse vahel on sageli
suhteliselt kiire ka niisugustes süsteemides, mida on peetud suhteliselt
stabiilseteks, mistõttu mitmete uuringute tulemuste interpretatsioonides on
suuri ebatäpsusi. Praktilise poole pealt tuleks rõhutada, et Raudsepa töö
näitab, kuidas väga lihtsate meetoditega on võimalik parandada juhtivate
polümeeride elektrokeemilist aktiivsust.
Tartu ülikooli uurimisrühm on rahvusvahelisel tasemel
küllalt tuntud. On olnud palju suulisi ettekandeid rahvusvahelistel
konverentsidel, mõned kutsed esineda on jäänud ka kasutamata. Samas on keemia
instituudi anorgaanilise keemia õppetooli uurimisrühm suhteliselt väike, kuid
tänu koostööle molekulaartehnoloogia õppetooliga ja eriti füüsika instituudiga
on uurimisvõimalused laienenud. Viimastel aastatel on meie kahe doktorikraadi
omandanud teaduri, Tarmo Tamme ja Urmas Johansoni eestvedamisel kujunemas
tehnoloogia instituudis uus uurimisrühm.
Terje Raudsepa doktoritööd saab lugeda siit.
Artikkel ilmus ajakirjas Universitas Tartuensis.