一种突破常规、能够导电的彩色有机硅

"这种材料为新型平板显示器、柔性光伏电池、可穿戴传感器甚至能显示不同图案或图像的服装开辟了可能性，"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, 该研究近期发表在《高分子快速通讯》期刊上。

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设备、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。半导体硅树脂有潜力实现Laine所描述的柔性电子设备，以及呈现多种颜色的硅树脂。

在分子层面，硅树脂由交替的硅和氧原子（Si — O — Si）构成主链，硅原子上连接着有机（碳基）基团。当聚合物链相互连接（称为交联）时，会形成各种三维结构，从而改变材料的物理性质（如强度或溶解度）。

在研究硅树脂中不同的交联结构时，研究团队偶然发现一种共聚物具有导电潜力。这种共聚物的聚合物链包含两种类型的重复单元——在此情况下是笼状结构硅氧烷和线性硅氧烷。

导电的可能性源于电子能够在具有轨道重叠的Si — O — Si键之间移动的方式。半导体主要有两种状态：不导电的基态和导电的激发态。当部分电子跃迁到下一个电子轨道（该轨道像金属一样贯穿整个材料连接）时，就会发生激发态（即导电态）。

通常，Si — O — Si键角不允许这种连接。110°的键角远非180°的直线。但在该团队发现的硅树脂共聚物中，基态下这些键起始于140°——而在激发态下它们会伸展到150°。这足以形成电荷流动的"高速公路"。

"这使得电子在这些共聚物中跨越包括Si — O — Si键在内的多个键发生意想不到的相互作用，"Laine说。"链越长，电子传输更远的距离就越容易，从而降低了吸收光能后再以较低能量发射光所需的能量。"

硅树脂共聚物的半导体特性还使其能够呈现光谱颜色。电子通过吸收和发射光子（光粒子）在基态和激发态之间跃迁。光的发射取决于共聚物链的长度，而Laine团队可以控制这个长度。较长的链意味着较小的电子跃迁和较低能量的光子，使硅树脂呈现红色调。较短的链需要电子进行更大的跃迁，因此它们发射出朝向光谱蓝色端的高能量光。

为了展示链长与光吸收和发射之间的关系，研究人员分离了具有不同链长的共聚物，并将其按从长到短的顺序排列在试管中。用紫外光照射试管时，每种共聚物以不同能量吸收和发射光线，从而产生完整的彩虹。

这种基于共聚物链长的多彩排列尤为独特，因为迄今为止，硅树脂仅以透明或白色为人所知，因为其绝缘特性使其无法吸收大量光线。

"我们正在赋予一种曾被普遍认为是电惰性的材料新的生命——一种能为下一代柔软、柔性电子产品提供动力的生命，"该研究第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生张子菁（Jackie Zhang）说。

该研究由美国国家科学基金会（2103628）和泰国国家科学、研究与创新基金（NSRF）通过人力资源与机构发展、研究与创新项目管理单位（B16F640099）资助。