Правила жизни полимеров
О номенклатуре
Но что же такое полимеры? Вещества, состоящие из макромолекул. Последние, в свою очередь, представляют собой многократно повторяющиеся мономерные звенья. Уникальность полимеров в том, что при удалении одного или нескольких звеньев его свойства останутся практически неизменны. А еще полимеры очень прочны, обладают высокой жесткостью и сопротивлением к ударным нагрузкам. Эти вещества могут находиться только в двух агрегатных состояниях (твердом и жидком) и в двух фазовых (аморфном и кристаллическом).
Об истории
До XIX века человечеству были доступны лишь природные полимеры, пока не произошел глобальный «химический рывок». Например, был открыт процесс вулканизации, позволяющий получать из текучего природного каучука прочную резину. Этот процесс используется и сейчас, но применяется к синтетическому каучуку.
Потребность в качественно новых конструкционных и изоляционных материалах подстегивала постепенное открытие искусственных высокомолекулярных соединений. Эра полимеров наступила в начале XX века, когда американский химик Лео Бакеланд изобрел твердый материал, который так и назвали - бакелит. Его создание дало толчок к развитию полимерной науки, и в нашей жизни появились полиэтилен, полистирол, полиамид и другие незаменимые материалы.
О пользе
С тех пор пластмассы и начали свое масштабное шествие по миру. Они используются как конструкционные и электроизоляционные материалы. Современные автомобили все в большей степени изготавливают из пластиковых комплектующих, что позволяет снизить вес при сохранении, а иногда и увеличении, прочностных характеристик.
Полимеры прочно обосновались и в производстве электротехники, где они используются в качестве изоляционных материалов и для изготовления корпусов даже аккумуляторных батарей. А упаковка или, скажем, текстильная промышленность? Благодаря полимерам наша одежда отличается эластичностью, гигиеничностью и меньше мнется.
Оптические свойства полимеров позволили получить оптическое волокно для высокоскоростной связи и органическое стекло, отличающееся высокой прочностью и малым весом. Велика заслуга пластмасс в медицине, где полимерные материалы применяются для изготовления протезов, инструментов и приборов. Благодаря устойчивости к кислотам и щелочам изделия из полимеров прижились в химической лаборатории.
О проблемах
Наука о полимерах не может похвастаться долгой историей, что вполне компенсируется скоростью развития и количеством открытий. Но такая ситуация приводит к формированию «белого шума» самими исследователями. Громкие заголовки о революционных открытиях на самом деле призваны отвлечь внимание от реальной работы лаборатории. Это позволяет спокойно закончить исследования и запатентовать разработку.
С учетом глобального поворота в сторону экологизации в ближайшие годы внимание ученых будет сконцентрировано на природоохранном направлении. Использование возобновляемых источников энергии полностью соответствует этому тренду. В этой сфере тоже грядет нашествие полимеров.
В первую очередь это касается солнечных батарей. Принцип устройства полимерной солнечной батареи схож с привычной нам кремниевой. Фотон света, попадая на фотоактивный слой, поглощается донором, в результате чего образуется экситон, состоящий из дырки и электрона. Экситон не имеет заряда и не может служить носителем, поэтому необходимо, чтобы он распался на отдельные положительный и отрицательный заряды. Именно это и происходит, когда экситон встречает акцептор. После этого электрон и дырка на границе раздела фаз находятся в связанном состоянии в виде комплекса переноса заряда. И если этот комплекс, в свою очередь, разделится, то электрон перемещается к катоду, а дырка - к аноду. В результате генерируется электрический ток.
Схему полимерной солнечной батареи можно представить так:
Изготовление таких батарей достаточно дешево, а вот эффективность работы проигрывает кремниевым аналогам. Наиболее распространенные кремниевые батареи, занимающие 90% рынка солнечных элементов, в среднем имеют КПД около 20%. Эффективность гибких устройств на основе эпитаксиального кристаллического кремния, аморфного кремния, многокомпонентных полупроводников - в среднем 10%, 7% и 10-15% соответственно. Наиболее производительные каскадные или многопереходные батареи, разработанные учеными из Германии и Франции, а также устройства с параллельным разделением солнечного спектра в настоящее время могут похвастаться эффективностью до 40% и более, что достигается за счет разделения солнечного спектра на узкие участки, которые улавливаются специально подобранными фотоактивными материалами с наибольшей эффективностью в данных спектральных диапазонах. Но такие системы получены только в лабораторных условиях; стоимость их изготовления крайне высока, так что коммерческой реализации ожидать пока не приходится.
Полимерные солнечные батареи обладают серьезными преимуществами: легкостью и гибкостью, что снимает ограничения в выборе поверхностей для монтажа полимерных батарей. Кроме того, они не содержат кадмий. Отсутствие этого токсического элемента ощутимо снижает уровень их воздействия на окружающую среду и добавляет привлекательности в глазах экоориентированных ученых и предпринимателей. Поэтому вопрос увеличения эффективности преобразования энергии кажется временным. Индустрия по производству полимерных солнечных батарей еще только набирает обороты. Но их перспективы неоспоримы.
