突破常规的彩色导电硅胶

"这种材料为新型平板显示器、柔性光伏器件、可穿戴传感器甚至能显示不同图案或图像的智能服装开辟了可能性，" 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。该研究成果近期发表于《大分子快讯》Macromolecular Rapid Communications。

硅油和硅橡胶——即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，传统半导体通常具有刚性。半导体硅胶有望实现Laine描述的柔性电子器件，并能呈现多种颜色。

在分子层面，硅胶由交替排列的硅氧原子主链（Si-O-Si）构成，硅原子上连接着有机（碳基）基团。随着聚合物链相互连接（称为交联），会形成各种三维结构，从而改变材料的强度或溶解性等物理特性。

在研究硅胶中不同交联结构时，研究团队意外发现共聚物具有导电潜力。这种共聚物包含两种重复单元——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键上移动。半导体具有两种主要状态：不导电的基态和导电的激发态。当部分电子跃迁至相邻电子轨道（这些轨道像金属般贯穿整个材料）时，就会进入导电的激发态。

通常，Si-O-Si键角（110°）无法形成这种连接，与180°直线相差甚远。但在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°。这足以形成电荷流动的通道。

Laine解释道："这使得电子在包括共聚物中Si-O-Si键在内的多个键之间产生意料之外的相互作用。链长越长，电子跨越更远距离的难度越低，从而降低吸收光能后再以较低能量发射所需的能耗。"

硅胶共聚物的半导体特性还使其呈现颜色光谱。电子通过吸收和发射光子（光粒子）在基态与激发态之间跃迁。发光特性取决于共聚物链长度——这正是Laine团队可控制的参数。较长链意味着较小跃迁和较低能量光子，使硅胶呈现红色调；较短链则需更大电子跃迁，从而发射光谱蓝端的高能量光。

为验证链长与光吸收/发射的关联，研究人员分离出不同链长的共聚物，并按从长到短顺序排列于试管中。用紫外光照射时，试管因各组分在不同能量下吸收并发射光线而产生完整彩虹。

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——其绝缘特性导致吸光能力有限。

"我们正赋予这种公认电惰性材料新的生命力，它将有望驱动下一代柔性软电子设备的发展，" 该研究第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生张子敬（Jackie Zhang）表示。

本研究由美国国家科学基金会（2103628）及泰国国家科学、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）提供资助。