透明的电子书和看似人的机器人:“有机电子”的新领域地平线:《欧盟研究与创新》杂志

诸如石墨烯之类的材料可能很快就会出现在电子设备中,并可能导致“化学”计算和信息存储的全新形式。 我们与赫希教授就有机电子这一新兴研究领域进行了交谈。

什么是有机电子产品?

传统的电子产品基于用于制造半导体的固态硅。 这些是无机的(意味着它们不含碳)。 相反,有机电子产品使用碳基分子-小分子或聚合物,它们是分子的长链。 几乎所有的生物分子都是有机化合物,但是由碳氢化合物制成的物质也是如此,例如石油化工,石油和塑料。 许多人可能会认为聚合物特别是不导电的,例如,塑料聚合物用于绝缘铜线。 但是一些有机聚合物和分子可以导电。

它们与传统的基于硅的电子产品有何不同?

有机化合物比无机化合物具有一些优势。 它们轻巧,灵活,透明-所有东西都与经典硅技术大不相同。 它们也可以便宜生产。

为什么围绕有机电子产品会有如此激动?

有这么多有机化合物和各种各样的官能团(具有自己独特性质的原子簇)。 通过添加官能团来调节其电子性能变得非常容易。 有些官能团是吸电子的,有些是给电子的,因此通过结合使用这些官能团,我们可以非常精确地调节性能。 例如,您可以调整发光二极管的荧光。 我们还可以控制它们吸收的光,以便将它们用作太阳能电池中的组件,并调整其传感器属性,以便它们在我们要检测的物体存在的情况下导电。 这是一个非常广阔的研究领域,已经变得很有希望。

目前在哪里使用它们?

大多数人可能会遇到的用途是屏幕技术。 现在,有机LED(OLED)在手机中非常普遍,您也可以通过它们购买电视。 但是,甚至在那之前,可以被视为一种有机电子产品的液晶设备(LCD)已经在许多应用中使用了多年。

“我相信在50年左右的时间内,您会看到更多有机外观的机器人,它们可以执行金属基机器人无法执行的功能。”

德国埃尔兰根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学安德烈亚斯·赫希教授

有机电子产品还有哪些其他应用?

它们在光伏器件中的使用是重要的问题。 基于硅的技术在许多方面都具有优势,当然在效率和长期稳定性方面。 但是生产单晶硅非常昂贵,并且很难控制其形态(形状和结构)。 它不是非常灵活或透明,不能做得很薄。 这是有机光伏技术开始发挥作用的地方–它们可以做得很薄,可以制造出可以覆盖大面积区域的设备,并且它们具有柔韧性,这在许多应用(例如太阳能电池板和大灯)中具有很大优势发射显示器。

传感器呢?

这仍然是一个新兴的领域,但是非常有希望。 如果您想到石墨烯(这是一个碳原子的二维二维层,厚一个原子),它具有很高的导电性,但也非常敏感。 例如,一分子一氧化碳仅对可测量的电导有影响。 再次,它是柔性的,可以在大面积上制造并且是透明的。

您如何将石墨烯变成传感器?

这是我自己的小组一直在努力的事情。 我们的研究项目之一– GRAPHENOCHEM –实际上只是在研究是否可以大量生产石墨烯,因为当我们开始(2010年)时,是通过将透明胶带从一块石墨上剥离下来而制成的。 我们想知道是否可以使用湿化学方法(使用液体)来大量生产。

同时,我们还开始研究石墨烯的化学功能,方法是将有机基团与共价键(共享电子的原子之间的键)连接在一起,以修饰石墨烯的性质。 我们从简单的分子(如烷基),芳香环(如苯)开始,但最近已经连接了可以与巴比妥酸盐(一种药物)结合的受体分子。 这是现阶段的基本化学基础,但它可能使我们朝着此类生物活性分子的新型传感器方向发展。

这些传感器将来将如何使用?

我们尚未完成,但是应该可以将生物分子和蛋白质与石墨烯结合并诱导生物反应(例如在人类中)。 应该有可能识别出诸如病毒或DNA序列之类的生物系统,这些系统随后会改变电子特性,因此您可以测量电导率的变化。 这将为您提供非常灵敏的分析设备(用于诊断)。 对于冠状病毒之类的东西,这可能非常重要。

您在石墨烯方面的工作还有哪些发展?

我们还显示了我们能够精确控制要在石墨烯板上放置官能团的位置。 我们可以创建非常具体的图案,例如条纹或圆形,并结合不同功能。 这意味着我们可以以特定方式修改电子特性。 而且我们发现我们不仅可以在模式中添加它们,还可以删除它们。 它成为化学信息存储或存储的一种形式。 我们可以使用激光将图案中的分子“写”到石墨烯片上,然后用正确的化学方法再次将其除去。

Hirsch教授说,有机电子产品不太可能取代硅技术,但可以用于生物传感和机器人技术等领域。 图片来源-Andreas Hirsch

您认为有机电子产品最终会取代硅计算机吗?

我认为这很有可能是一个补充系统。 我们的工作目前只是一个原型,所以我不知道我们是否真的可以制造出可以在普通的基于硅的计算机上运行的有机状态计算机。 我有点怀疑。 但是,如果您考虑的生物系统的响应速度不必如此之快,那么那里可能会有一个优势(因为很难让硅与生物分子发生相互作用)。 我们可以看到有机电子在医疗设备或生物机器人中与生物系统的接口处使用。

需要克服的主要挑战是什么?

在某些情况下,它只是能够大量生产有机电子产品。 试想一下石墨烯和碳纳米管–仍然很难对其进行大量加工。 有机分子的长期稳定性是另一个问题。 如果将它们放在房屋屋顶的光伏设备中,暴露在阳光下20年,它们将不会像无机化合物那样稳定。 它们在太阳能电池中的性能也仍然较低。 显而易见,我们正在谈论的是补充技术,而不是试图替代硅。 但是对于石墨烯,我们是第一次看到纯有机,高导电性和完全稳定的材料。 因此,我认为我们真的很快就会开始看到涉及石墨烯的应用程序。

您如何看待未来使用有机电子产品?

我认为它将发现许多互补的应用,其中电子产品正在努力满足特定的需求组合。 我们已经在许多消费类设备中使用了它们,但我们也可以开始考虑透明的电子报纸或书籍。

从长远来看,医疗应用中电子与生物界之间的接口无疑将非常有趣。

在机器人技术中也是如此。 有些导电聚合物在施加电压时会改变其形状。 这些行为就像人造肌肉。 因此,我们最终可能会看到看起来更像正常动物或人类的机器人。 我坚信,在50年左右的时间里,您将看到更多具有有机外观的机器人,它们可以执行金属机器人无法执行的功能。 有机电子将在其中发挥重要作用。

该访谈经过了编辑,以使内容更清晰,更详尽。

本文中的研究由欧盟欧洲研究理事会资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。


This article – “透明的电子书和看似人的机器人:“有机电子”的新领域地平线:《欧盟研究与创新》杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation magazine

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