一种突破常规、能够导电的彩色硅树脂

"这种材料为新型平板显示器、柔性光伏器件、可穿戴传感器乃至能显示不同图案或图像的服装开启了可能性，"密歇根大学材料科学与工程及高分子科学与工程教授、该研究通讯作者Richard Laine表示。该研究近期发表于《高分子快速通讯》。

硅油和硅橡胶——聚硅氧烷和倍半硅氧烷——传统上是绝缘材料，意味着它们阻碍电流或热量的流动。其防水特性使其在生物医学器械、密封剂、电子涂层等领域具有应用价值。

与此同时，传统半导体通常是刚性的。半导体硅胶有望实现Laine所描述的柔性电子器件，并能制成多种颜色。

在分子层面，硅胶由交替的硅氧原子骨架（Si -- O -- Si）构成，硅原子上连接着有机（碳基）基团。聚合物链相互连接时形成各种三维结构，称为交联，这会改变材料的物理性质（如强度或溶解性）。

在研究硅胶中不同交联结构时，研究团队偶然发现一种共聚物具有导电潜力。这种共聚物包含两种重复单元——此处为笼状结构硅氧烷和线性硅氧烷。

导电可能性源于电子可通过轨道重叠在Si -- O -- Si键间迁移。半导体主要有两种状态：不导电的基态和导电的激发态。当部分电子跃迁到相邻电子轨道（这些轨道贯穿材料如金属般连接）时，即出现激发态（导电态）。

通常情况下，Si -- O -- Si键角（110°）无法形成这种连接，因其远离180°直线构型。但该团队发现的硅胶共聚物中，这些键在基态时呈140°——激发态时拉伸至150°，这足以形成电荷传输通道。

"这使得电子能在包括Si -- O -- Si键在内的多键间发生意想不到的相互作用，"Laine解释道。"链长越长，电子迁移距离越远，吸收光能后以更低能量发射所需能量就越少。"

硅胶共聚物的半导体特性还赋予其呈色能力。电子通过吸收和发射光子（光粒子）在基态与激发态间跃迁。发光特性取决于可受控的共聚物链长度：较长链意味着较小电子跃迁和较低能量光子，使硅胶呈红色调；较短链需要更大电子跃迁，因此发射更高能量的蓝光光谱。

为验证链长与光吸收/发射的关系，研究人员分离出不同链长的共聚物，在试管中按长到短排列。紫外光照射下，因各自在不同能量吸收和发射光线，试管呈现完整彩虹光谱。

这种基于共聚物链长的彩色阵列尤为独特，因为此前硅胶仅以透明或白色著称——其绝缘特性使其无法大量吸光。

"我们正赋予这个公认电惰性的材料新生——它或将驱动下一代柔性软电子设备，"该研究第一作者、密大材料科学与工程博士生Zijing (Jackie) Zhang表示。

本研究由美国国家科学基金会（2103628）和泰国国家科技研究创新基金（NSRF）通过人力资源与机构发展、研究和创新项目管理处（B16F640099）资助。