من محاكاة الجلد إلى الروبوتات البشرية: كيف تعمل الإلكترونيات العضوية

ما هي الإلكترونيات العضوية؟

هذا فرع من الإلكترونيات يستخدم المواد العضوية

لصناعة الدوائر الإلكترونية وغيرهاالأجهزة، التي تتمتع في معظمها بعدد من المزايا مقارنة بالمواد غير العضوية التقليدية التي يعرفها الجميع. وهذا مجال جديد إلى حد ما، ولكن إمكانياته لا حصر لها، والنتائج مثيرة للإعجاب بالفعل.

تعتمد الإلكترونيات التقليدية على المواد الصلبةالسيليكون ، والذي يستخدم في صناعة أشباه الموصلات. فهي غير عضوية (أي لا تحتوي على الكربون). في المقابل ، تستخدم الإلكترونيات العضوية جزيئات قائمة على الكربون - إما جزيئات صغيرة أو بوليمرات ، وهي سلاسل طويلة من الجزيئات. جميع الجزيئات البيولوجية تقريبًا عبارة عن مركبات عضوية ، ولكنها أيضًا مواد مشتقة من الهيدروكربونات مثل البتروكيماويات والزيوت والبلاستيك. قد يعتقد الكثير من الناس أن البوليمرات على وجه الخصوص غير موصلة للكهرباء - على سبيل المثال ، تستخدم البوليمرات البلاستيكية لعزل الأسلاك النحاسية. لكن بعض البوليمرات العضوية والجزيئات يمكنها توصيل الكهرباء.

كيف تختلف عن الإلكترونيات التقليدية القائمة على السيليكون؟

المركبات العضوية لها بعضمزايا على المركبات غير العضوية. إنها خفيفة الوزن ومرنة وشفافة - وكلها تختلف اختلافًا كبيرًا عن تقنية السيليكون الكلاسيكية. ويمكن أيضا أن تكون أرخص في التصنيع.

لماذا تسبب الإلكترونيات العضوية الكثير من الإثارة؟

هناك الكثير من المركبات العضوية ومجموعة واسعة من المجموعات الوظيفية (مجموعات من الذرات لها خصائصها المميزة). يصبح من السهل جدًا ضبط خصائصها الإلكترونية عن طريق إضافة مجموعات وظيفية. تقوم بعض المجموعات الوظيفية بسحب الإلكترونات وبعضها الآخر بالتبرع بالإلكترونات، لذلك من خلال الجمع بينها، يمكن للعلماء ضبط الخصائص المطلوبة بدقة شديدة. على سبيل المثال، يمكنك ضبط الفلورة للثنائيات الباعثة للضوء.

كيف ظهر نوع جديد من الإلكترونيات؟

بدأت الإلكترونيات العضوية في الخمسينيات من القرن الماضيسنوات عندما اكتشف H. Inokuchi وزملاؤه أول جزيء عضوي موصل. من هذا الاكتشاف ، تم تحديد أن الجزيئات العضوية يمكن أن تكون أشباه موصلات ، وهو مصطلح شائع الاستخدام للسيليكون والجرمانيوم وعناصر أخرى مماثلة. اتضح أن أشباه الموصلات العضوية لها عدد من المزايا على أشباه الموصلات التقليدية.

أشباه الموصلات العضوية

في. Helfrikh و V.G.اكتشف شنايدر أن الجزيئات العضوية يمكن أن تبعث الضوء. تم اكتشاف هذه الخاصية لأول مرة في جزيء الأنثراسين. كان العيب الوحيد هو أن هذا التأثير يتطلب جهدًا عاليًا ، مما جعل الاكتشاف والمزيد من التطوير غير فعال للغاية. بعد ذلك ، في الثمانينيات ، صنع ثلاثة علماء - هيغر ، وماكديارميد ، وشيراكاوا - بوليمرات موصلة ، وحصلوا عنها على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2000. بعد عدة سنوات ، تم اكتشاف أن perylene tetracarboxylic dianhydride - PTCDA ، وهو جزيء صبغة عضوية لا يزال يستخدم في دهانات السيارات ، له خصائص شبه موصلة.

وكان المعلم المهم التالي هو الافتتاحالثنائيات العضوية الباعثة للضوء - OLED - أجهزة أشباه الموصلات المصنوعة من مركبات عضوية تنبعث منها الضوء بشكل فعال عندما يمر التيار الكهربائي من خلالها. تم اختراع هذا الجهاز في عام 1987 بواسطة تشينغ تانغ وستيفن فان سليكمي من كوداك. كان بإمكان الجهاز أن ينبعث ضوءًا بجهد 5 فولت فقط، وغير صناعة شاشات العرض إلى الأبد.

أين تستخدم هذه الإلكترونيات الآن وما هو مستقبلها؟

وفقا للبروفيسور أندرياس هيرش ، رئيسقسم الكيمياء العضوية في جامعة فريدريش ألكسندر في إرلانجن - نورمبرج في ألمانيا ، يمكن أن تؤدي الإلكترونيات المصنوعة من الكربون بدلاً من السيليكون إلى جيل جديد من الأجهزة الطبية وأجهزة الاستشعار وربما حتى الروبوتات.

"ربما يستخدم معظم الناستقنيات الشاشة. أصبحت الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) الآن شائعة جدًا في الهواتف المحمولة، ويمكنك أيضًا شراء أجهزة التلفاز بها. ولكن حتى قبل ذلك، كانت شاشات الكريستال السائل (LCD)، والتي يمكن اعتبارها نوعًا من الإلكترونيات العضوية، تُستخدم في العديد من التطبيقات لسنوات عديدة.

"أنا مقتنع أنه في غضون 50 عامًا أو نحو ذلك ، أنتسترى العديد من الروبوتات التي تبدو عضوية ، والتي يمكنها أداء وظائف لا تستطيع الروبوتات القائمة على المعدن ، "يقول العالم.

طيف من تطبيقات الإلكترونيات العضوية

للإلكترونيات العضوية مجموعة متنوعة من الاستخدامات. يمكن تسمية أربعة منها بأكثرها واعدة: شاشات العرض ، وتقنيات الخلايا الكهروضوئية والترانزستور ، والطب الحيوي.

 يعرض

OLED (الثنائيات العضوية الباعثة للضوء) —إنها تقنية رائدة طورها تشينغ تانغ وستيفن فان سليك. تتكون شاشات OLED من فيلم عضوي يستخدم التفسفر لتوليد الضوء الخاص به بدلاً من استخدام الإضاءة الخلفية. الفسفور هو انبعاث نتيجة لإثارة الإلكترونات التي تستمر لفترة طويلة من الزمن. ربما لاحظت هذا في ساعات اليد والأقراص التي تتوهج في الظلام. 

نامسان سيئول تاور 1F- نفق أوليد

الفسفور هو نوع خاص من التلألؤ الضوئي.على عكس مادة الفلورسنت ، فإن المادة الفسفورية لا تنبعث منها على الفور الطاقة الممتصة. ترتبط أوقات إعادة الإرسال الأطول بتحولات الطاقة "المحرمة" في ميكانيكا الكم.

عملية OLED واضحة ومباشرة.يتكون الفيلم العضوي من طبقتين: انبعاث وموصلة. توجد ثقوب على الحدود بين الطبقتين. تُصدر الطبقة المنبعثة إلكترونات ، وينتج عن إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب توليد الفوتونات التي يتكون منها الضوء.

يوجد نوعان أساسيان من OLED - المصفوفة السلبية والنشطة.

• تحتوي المصفوفة السلبية OLED (PMOLED) على خطوطشرائط الكاثود والأنود ، فهي متعامدة مع بعضها البعض. تشكل التقاطعات وتشكل البيكسلات التي ينبعث منها الضوء. تطبق الدوائر الخارجية التيار على شرائح مختارة من الأنود والكاثود ، وتحدد وحدات البكسل التي سيتم تشغيلها وأيها ستظل متوقفة. يعتمد السطوع على حجم التيار المطبق. عيبهم هو أنهم يستهلكون الكثير من الطاقة وبالتالي يتم استخدامها في الشاشات الصغيرة مثل المساعد الرقمي الشخصي (المساعد الرقمي الشخصي) ومشغلات MP3.
• النوع الثاني من OLED هو مصفوفة نشطة OLED(AMOLED). تحتوي AMOLED أيضًا على طبقات كاملة من الكاثود والمواد العضوية والأنود ، لكن طبقة الأنود تتداخل مع مصفوفة ترانزستور رقيقة (TFT). صفيف TFT عبارة عن دائرة تحدد وحدات البكسل التي يتم تشغيلها لتكوين صورة.

تستهلك AMOLEDs طاقة أقل بكثير منPMOLED لأن صفيف TFT يتطلب طاقة أقل من الدوائر الخارجية. نتيجة لذلك ، فهي مناسبة للشاشات الكبيرة مثل شاشات الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون واللوحات الإعلانية الإلكترونية.

وفي المقابل، تحتوي مصابيح OLED LED على الكثيرمزايا أكثر من شاشات الكريستال السائل (شاشات الكريستال السائل). تتكون شاشات LCD التقليدية من عدة أجزاء. لا تحتوي البلورات السائلة على إضاءة خلفية خاصة بها، لذا فهي تستخدم إضاءة خلفية. بالإضافة  تحتوي تصميمات العرض على صفائح عاكسة لتحسين السطوع، وألواح ناشرة لفصل الضوء وتوزيعه بالتساوي، ومستقطب سفلي ومستقطب علوي، ومرشح ألوان لإنشاء ضوء ملون، وبالطبع بلورات سائلة، وهي العناصر الأساسية. وهذا يزيد بشكل كبير من سمك الشاشة.

الثنائيات الباعثة للضوء الكمي (QLED) - أخرىاتجاه. أنها تحتوي على المستقطبات ومرشحات الألوان. كما أنها تحتاج إلى إضاءة خلفية لأن النقاط الكمومية لا يمكنها أن تبعث ضوءها الخاص. ونتيجة لذلك، تصبح شاشات العرض هذه سميكة للغاية. تتميز شاشات OLED بأنها أنيقة، وتنتج اللون الأسود المطلق أكثر من شاشات QLED، وتعمل بشكل أفضل في الضوء الخافت لأن كل بكسل مضاء بشكل فردي. يمكن أن تكون شاشات OLED رفيعة جدًا. ومع ذلك، فإن معظم الشركات والمستهلكين يختارون شاشات OLED لهواتفهم الذكية.

 تطبيقات الطاقة الكهروضوئية

الأجهزة الكهروضوئية العضوية فيمعظمها خلايا شمسية عضوية. يشيع استخدام البوليمرات كمواد كهروضوئية. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لاستخدام المواد العضوية في صنع الخلايا الشمسية في أن "معامل الامتصاص البصري" للجزيئات العضوية مرتفع ، لذلك يمكن امتصاص كمية كبيرة من الضوء بواسطة كمية صغيرة من المواد ، وعادة ما تكون بترتيب مئات نانومتر. كما أنها مرنة جدًا وأرق بكثير من نظيراتها من السيليكون. بينما تفتخر تقنية OPV (الخلايا الكهروضوئية العضوية) الحالية بكفاءة تحويل تزيد عن 10٪ ، تصل إلى 12٪ ، يتوقع بعض الباحثين أن الخلايا الشمسية العضوية ستحقق كفاءة 15-20٪. يمكن أيضًا طيها وتحويلها إلى سماد.

وعلى الرغم من أننا نعيش في عالم إلكتروني بشكل متزايد ،الوصول إلى هذا العالم محدود. ما يقدر بنحو 1.3 مليار شخص يفتقرون إلى الكهرباء ، ويعتمد الكثير من الناس على الكيروسين أو البطاريات أو مولدات الديزل. نظرًا لتكاليف التصنيع الأرخص ، لا تعد الإلكترونيات العضوية بتغيير طريقة استخدام الناس للتكنولوجيا فحسب ، بل أيضًا بتوسيع استخدامها ليشمل السكان دون الوصول إلى الشبكة.

العيب الرئيسي للعضويةتعد الخلايا الكهروضوئية منخفضة الكفاءة مقارنة بالخلايا الكهروضوئية غير العضوية مثل خلايا السيليكون الشمسية. ولكن يتم إجراء الأبحاث لحل هذه المشكلة ، ويتم اكتشاف مواد جديدة كل يوم يمكن أن تحدث ثورة في صناعة الطاقة الشمسية.

ترانزستورات عضوية مطبوعة مرنة

الترانزستورات هي لبنات بناء أساسيةكتل من الأجهزة الإلكترونية الحديثة التي إما تضخّم الإشارات أو تعمل كمفاتيح. ترانزستور تأثير المجال العضوي (OFET) هو ترانزستور ذو تأثير ميداني يحتوي على أقطاب كهربائية موصلة ، وأشباه موصلات عضوية ، وعازل كهربائي. تكمن خصوصيته في أنه يستخدم القليل جدًا من القوة لدوريات تيار عالي جدًا ويعمل أيضًا كمفتاح جيد. يتم تصنيع هذه الترانزستورات بواسطة دوائر مطبوعة باستخدام أصباغ عضوية مرنة. يتم الحرص بشكل خاص على ضمان عدم دخول الملوثات إلى المادة ، حيث يمكن أن يؤثر ذلك سلبًا على توصيل المادة.

الدائرة المطبوعة باستخدام OFET
ياسونوري تاكيدا وآخرون/ويكيميديا، مرخص بموجب CC BY 4.0

على مدى السنوات القليلة الماضية، الاهتمام في OFETلقد نمت بشكل كبير ولسبب وجيه. من حيث خصائصه، يمكن لـ OFET التنافس مع السيليكون غير المتبلور (a-Si). ونتيجة لذلك، هناك الآن اهتمام متزايد بالاستخدام الصناعي لـ OFETs للتطبيقات التي لا تتوافق حاليًا مع استخدام a-Si أو تقنيات الترانزستور غير العضوية الأخرى. تتمثل إحدى مزاياها التكنولوجية الرئيسية في إمكانية ترسيب جميع طبقات OFET وتنظيمها في درجة حرارة الغرفة، مما يجعلها مثالية لتحقيق أجهزة إلكترونية منخفضة التكلفة وواسعة المساحة على ركائز مرنة. يجب تسخين السيليكون إلى درجات حرارة عالية تزيد عن 40 درجة مئوية ليتم صبه في القالب. ومع ذلك، من السابق لأوانه الحديث عن الاستخدام الواسع النطاق لـ OFET بسبب عيوب التكنولوجيا.

الطب الحيوي

استخدام آخر مهم للعضويةالالكترونيات هي الطب. على سبيل المثال، لعلاج العمى باستخدام شريحة شبكية يتم زرعها في العين. يقوم الجهاز بالكشف عن الإشارات الضوئية التي تدخل العين وتحويلها إلى إشارات كهربائية يتم إرسالها إلى الدماغ. تقوم الأقطاب الكهربائية المطلية بأصباغ عضوية بنقل الإشارات الكهربائية إلى الخلايا المستقبلة للعين. 

يجب أن تكون التركيبة متوافقة حيوياً.يعد اختيار المواد المناسبة ومخاليط المكونات أمرًا بالغ الأهمية. في الوقت الحالي ، مكّن المرضى المكفوفين من إدراك النور والظلام ، والخطوط العريضة للأشياء ، وأحيانًا الحروف وتعبيرات الوجه. هدف العلماء ليس فقط أن يكون للجهاز دقة عالية ، ولكن أيضًا أداء جيد. هذا مثال رائع على كيفية عمل التكنولوجيا والطب معًا لتحسين حياة الناس.

مستقبل الإلكترونيات الجديدة

سيكون مجال الإلكترونيات العضوية في المستقبلتستمر في التطور بطرق لا يمكن حتى تخيلها اليوم. تم بالفعل تنفيذ بعض الأفكار ، مثل الهواتف الذكية OLED وأجهزة التلفزيون والألواح الشمسية الرخيصة التي يتم تركيبها على أسطح المنازل في المناطق الريفية. في المستقبل ، ستصبح الهواتف الذكية القابلة للطي أكثر شيوعًا ، وعلى سبيل المثال ، الجلد الإلكتروني ، الذي يحاكي جلد الإنسان في حساسيته اللمسية ، سيستغرق وقتًا أطول لتطويره. التنبؤات الأخرى ليست ممكنة حتى الآن ، حيث إن إمكانيات التطبيق متنوعة وتغطي العديد من المجالات - الطب والبحوث الطبية الحيوية ، والطاقة والبيئة ، والاتصالات والترفيه ، والأثاث المنزلي والمكتبي ، والملابس والإكسسوارات الشخصية ، وأكثر من ذلك بكثير تتأثر.

يمكن للإلكترونيات العضوية أن تفعل ذلك أيضًاإنتاج واستخدام وإعادة تدوير الإلكترونيات بشكل أكثر صداقة للبيئة. يبحث العلماء والمهندسون عن طرق لجعل الإلكترونيات الجديدة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من التصميمات الحالية المعتمدة على السيليكون.

ما هي فوائد استخدام المواد العضوية في الإنتاج الإلكتروني؟

• فرص جديدة

  المواد العضوية لها فريدة من نوعهاالخصائص التي لا يمكن تحقيقها مع الالكترونيات القائمة على السيليكون. وتشمل خصائصها الحساسية والتوافق الحيوي والمرونة. الاستشعار هو استخدام الأجهزة الإلكترونية للكشف عن المواد الكيميائية أو البيولوجية الموجودة في البيئة أو على جسم الإنسان.

  يتصور العلماء أن أجهزة الاستشعار الحيوية لا تفعل ذلكلا يقتصر الأمر على اكتشاف مستويات الجلوكوز لدى مرضى السكري فحسب، بل يقوم أيضًا بتوزيع الجرعة المناسبة من الأنسولين في الوقت المناسب. إن المواد الإلكترونية العضوية ليست فقط أكثر توافقاً كيميائياً مع الأنظمة البيولوجية من الأجهزة القائمة على السيليكون؛ إنها تمنح المادة المرونة والقابلية للتمدد و"النعومة" الميكانيكية.

  تخلق هذه الخصائص معًا إمكانية إنشاء مستشعرات إلكترونية حيوية مبتكرة يمكنها مطابقة الانحناء والأجزاء المتحركة من جسم الإنسان.

• كفاءة الطاقة

  كما يستمر العلماء والمهندسونتحسين تركيب وتوصيف المواد العضوية لاستخدامها في الإلكترونيات، ويأملون أن يؤدي استخدام مثل هذه المواد إلى المزيد من شاشات العرض الإلكترونية والإضاءة والأجهزة الأخرى الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

  على سبيل المثال، من الضروري جعل العضويةتعتبر الخلايا الشمسية أكثر كفاءة بحيث يمكن استخدامها في أماكن مثل شمال أوروبا ومعظم أنحاء روسيا، حيث الليل طويل جدًا ولا توجد سوى فترات قصيرة من ضوء الشمس، خاصة في الشتاء.

  يحاول المهندسون إنشاء أجهزة منالمواد العضوية التي تدوم لفترة أطول قابلة لإعادة التدوير أو ربما قابلة للتحلل البيولوجي. ستصبح طرق تصنيع الإلكترونيات العضوية أيضًا أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، مما يؤدي إلى خطوات أقل وطرق أقل لاستعادة الحرارة المهدرة.

• نفايات أقل ، المزيد من الأمان

  استخدام المواد العضوية ليوفر إنشاء الأجهزة الإلكترونية الأمل في أن الأساليب المستقبلية لتصنيع الإلكترونيات ستعتمد على عدد أقل من المواد الخام ، وستكون أيضًا أكثر أمانًا.

  يمكن حفظ المواد بالاعتماد على كميات أقلالعمليات المهدرة مثل الطباعة. تتم إضافة المواد إلى الهياكل أو الأجهزة طبقة بعد طبقة أثناء إنشائها، على عكس الطرد المركزي، الذي يتضمن إزالة المواد والتخلص من الفائض.

  بالإضافة إلى استخدام أقلالمواد ، يبحث الكيميائيون عن طرق لاستخدام مواد أكثر أمانًا. على سبيل المثال ، تتطلب العديد من البوليمرات مذيبات مسرطنة. لا يُسمح حتى ببعض المذيبات في صناعة الطباعة في الاتحاد الأوروبي بسبب سميتها.

• إلكترونيات مستقرة

  ابتكار منتجات إلكترونية صديقة للبيئة- لا يتعلق الأمر فقط بإنشاء المزيد من الخلايا الشمسية "الخضراء" أو الأجهزة الأخرى ، ولكن أيضًا باستخدام المزيد من أساليب الإنتاج "الخضراء". يجب تطبيق الاستدامة البيئية في كل مرحلة من مراحل دورة الإنتاج ، من اقتناء المواد الخام إلى التخلص من النفايات. يمكن للمواد العضوية دفع الإلكترونيات إلى المستقبل بطريقة أكثر استدامة مما هو ممكن في العالم الإلكتروني اليوم.

  أخيرًا ، تعني الإلكترونيات الخضراءأن الإلكترونيات نفسها متينة. إن تعدد استخدامات الإلكترونيات العضوية ، إلى جانب وعد المجال للاستدامة البيئية والاجتماعية ، يشير إلى الطريق نحو مجموعة تقنية طويلة العمر.

وضع السوق

وفقًا لأبحاث السوق المتحالفة، بحلول عام 2027سيصل سوق الإلكترونيات العضوية إلى 159.1 مليار دولار بمعدل نمو سنوي مركب قدره 21.0%. أدى الطلب المتزايد بسبب اعتماد التقنيات التي تدعم التنمية المستدامة والحاجة إلى الإلكترونيات العضوية لتطوير أحدث التقنيات إلى زيادة نمو سوق الإلكترونيات العضوية العالمية. واستنادًا إلى المواد، استحوذ قطاع أشباه الموصلات على الحصة الأكبر في عام 2019. وعلى أساس المنطقة، استحوذ سوق آسيا والمحيط الهادئ على حصة الأسد في عام 2019. 

وبالإضافة إلى ذلك، تم إصداره هذا الأسبوعتقرير كبير "حجم سوق الإلكترونيات العضوية وحصته ونموه وتقريره حتى 2020-2028". ووفقا لها، في الفترة المتوقعة، سوف ينمو سوق الإلكترونيات العضوية العالمية فقط. يتناول هذا التقرير البحثي مشهد السوق وآفاق تطوره في المستقبل القريب. بعد دراسة الشركات الرئيسية، يركز التقرير على الداخلين الجدد الذين يقودون نمو السوق. تتبنى معظم الشركات في سوق الإلكترونيات العضوية العالمية حاليًا اتجاهات تكنولوجية جديدة في السوق.

وأخيرًا، يلقي الباحثون الضوء على طرق مختلفة لتحديد نقاط القوة والضعف والفرص والتهديدات التي تؤثر على نمو سوق الإلكترونيات العضوية العالمية.

يعمل بعض اللاعبين الرئيسيين على هذايشمل السوق شركات مثل Fujifilm Dimatix و AU Optronics و BASF و Bayer MaterialScience و H.C. STARCK و DuPont و Koninklijke Philips و LG Display و Sumitomo و Merck و AGC Seimi Chemical و Novaled و Samsung Display و Sony و Universal Display و Heliatek و Evonik.

ما هو الحد الأدنى؟

على مدى العقود القليلة الماضية ، المنطقةمن الواضح أن الإلكترونيات العضوية قد خطت خطوات هائلة: فهناك العديد من الأجهزة في السوق بالفعل ، والعديد من النماذج الأولية قيد التطوير. سيستمر هذا المجال في النمو ، مما يغير الطريقة التي يتفاعل بها المجتمع مع التكنولوجيا حيث يتعامل الكيميائيون والفيزيائيون والعلماء والمهندسون الآخرون مع تحديات البحث. ستساهم برامج البحث والتدريب متعددة التخصصات التي تجمع العلماء والمهندسين من مختلف مجالات المعرفة ، وكذلك من مختلف قطاعات النشاط (مثل الأوساط الأكاديمية ، والصناعة ، والحكومة) في الجهود التعاونية اللازمة لحل هذه المشاكل

اقرأ أيضا

طور الباحثون طاقة نظيفة من الجرافين لأول مرة

في اليوم الثالث من المرض ، يفقد معظم مرضى COVID-19 حاسة الشم لديهم وغالبًا ما يعانون من سيلان الأنف

تبين أن نهر Doomsday الجليدي أكثر خطورة مما اعتقد العلماء. نقول الشيء الرئيسي