Elektrisch leitfähige Polymere

Nach der Entdeckung der Polymere und ihrer technischen Anwendungsmöglichkeiten, nahm man zunächst an, dass alle Kunststoffe gute Isolatoren gegenüber elektrischem Strom sind. Die Geschichte der Polymere sollte jedoch einen anderen Weg nehmen. Im Jahr 1860 hatte der deutsche Chemiker August Kekulé (1829–1896) bereits die Theorie der ringförmigen Strukturformel des Benzols und der Gleichwertigkeit der beteiligten Wasserstoff-Atome aufgestellt. Damit war die Grundlage für die Chemie der Aromaten gelegt. Im Benzol-Molekül lassen sich die Elektronen nicht mehr eindeutig einem Atom zuordnen, sie sind delokalisiert und können sich frei im Benzolring bewegen. Nun könnte man annehmen, dass auch in den langen Ketten derjenigen Polymere, die abwechselnd Einfach- und Doppelbindungen enthalten, ein Ladungstransport über die Elektronen möglich ist. Der erste Versuch misslang zunächst. Giulio Natta berichtete im Jahre 1958 von einer Polymerisation des Acetylens. Er erhielt ein unlösliches und nicht schmelzbares schwarzes Pulver, das zunächst keine Beachtung fand.

Im Jahr 1967 gelang es dem Japaner Hideki Shirakawa (geb. 1936) Polyacetylen (Abkürzung PA; nach IUPAC eigentlich: Polyethin) in Form eines Films herzustellen. Als Katalysator verwendete er einen hochwirksamen metallorganischen Titan-Aluminium-Katalysator. Aufgrund eines Berechnungsfehlers setzte er die tausendfache Menge des Katalysators ein, wodurch er als Produkt zufällig kein Pulver, sondern einen dünnen, stabilen Film erhielt. Der Film enthielt je nach Reaktionsbedingung Anteile der beiden Isomere des silbrig glänzenden cis-Polyacetylens (cis-PA) oder des kupferfarbenen trans-Polyacetylens (trans-PA). Für beide ließ sich eine elektrische Leitfähigkeit messen, die aber nicht besonders gut war und nur der eines Halbleiters entsprach.

Gleichzeitig experimentierten Alan J. Heeger (geb. 1936) und Alan MacDiarmid (1927–2007) in den USA mit metallisch aussehenden Filmen aus dem anorganischen Polymer Schwefelnitrid. In den 1970er-Jahren trafen die beiden Wissenschaftler bei einem Seminar in Tokio Shirakawa und luden ihn an die Universität nach Pennsylvania ein, an der MacDiarmid arbeitete. Dort zeigten die drei Forscher 1976, dass eine Behandlung des Polyacetylens mit einem Oxidationsmittel wie Chlor, Brom, Iod oder Arsenpentafluorid zu einer starken Erhöhung der Leitfähigkeit des Polymers führt. Sie erhielten eine verbesserte Leitfähigkeit um den Faktor zehn Millionen. Dadurch war die Leitfähigkeit des so behandelten Polyacetylens fast so gut wie das am besten leitende Metall Silber. Durch den Einbau von einer geringen Menge an Fremd-Atomen in den Halbleiter Polyacetylen (Dotierung), ließ sich diese Verbesserung erzeugen. Auch eine Dotierung des Polymers Poly(para-phenylen) (PPP) führt zu einem Leiter, der allerdings nicht ganz so gut leitet wie dotiertes Polyacetylen. Nachdem man in den 1980er Jahren eine Möglichkeit fand, die leitfähigen Polymere zu lösen und zu verarbeiten, stand der Entwicklung von leitfähigen Kunststoffen nichts mehr im Wege. Shirakawa, Heeger und MacDiarmid erhielten im Jahr 2000 den Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung der elektrisch leitfähigen Polymere.

Polyacetylen kann durch ein von Shirakawa entwickeltes Verfahren hergestellt werden. Das Gas Acetylen wird auf eine hoch konzentrierte Katalysator-Lösung geblasen. An der Oberfläche der Lösung entsteht ein Polymer-Film. Das Polyacetylen ist chemisch relativ unbeständig, daher werden die dotierten Polymere Polypyrrol, Polyanilin (PANI), Polythiophen oder Poly(para-phenylen-vinylen) (PPP) eingesetzt.

Eine erste technische Anwendung fanden die elektrisch leitfähigen Polymere in Batterien oder Akkumulatoren, bei denen es auf geringes Gewicht und sehr hohe Leistungsfähigkeit ankam, zum Beispiel in den tragbaren und relativ kleinen mp3-Playern und in den Handys. Lithium-Polymer-Batterien sind den anderen Batterien im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit und ihre Sicherheit weit überlegen. Außerdem sind sie weitgehend ungiftig und gut zu recyclen. Sie enthalten als Polymere überwiegend Polypyrrole. Im Jahre 1986 wurde der Feldeffekt-Transistor OFET vorgestellt, bei dem die Halbleiterschicht aus organischen Polymeren bestand. Dies legte die Grundlage zur Herstellung von elektronischen Schaltungen auf der Basis organischer Polymere. 2001 stellten Forscher der Firma Siemens erstmals integrierte Schaltkreise vor, die vollständig aus Polymeren bestanden. Diese Schaltkreise sind wesentlich billiger herzustellen als vergleichbare Schaltkreise aus Silicium, und sie sind wesentlich kleiner.

Eine weitere Entwicklung war ab 1987 in der organischen Leuchtdiode OLED (Organic light emitting diodes) zu sehen. Auf einer transparenten Anode, die aus Indium-Zinn-Oxid besteht, wird ein dünner Film eines organischen Polymers aufgetragen. Auf diese Schicht dampft man die Kathode, beispielsweise Aluminium oder Magnesium auf. Beim Anlegen einer Spannung gibt das elektrisch angeregte Polymer elektromagnetische Strahlung ab und leuchtet. Erste Produkte mit OLEDs zum Beleuchten kamen ab dem Jahr 2000 in Autoradios und Handys auf den Markt. 2003 erschienen die ersten Handys von Samsung, Digitalkameras von Kodak und Computer-Monitore von Kodak und Sanyo mit einem OLED-Display. Der Vorteil dieser Monitor-Technologie ist in dem besonders großen Einblickswinkel und einem besseren Kontrast im Vergleich zum herkömmlichen LCD-Monitor zu sehen.