Um die Leistung zu verbessern, „ergänzen“ Wissenschaftler Halbleiter tatsächlich mit Vitamin C?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Im heutigen Konzept einer gesunden Ernährung ist Obst zu einem unverzichtbaren Bestandteil geworden. Sie schmücken unsere Esstische nicht nur mit leuchtenden Farben, sondern verwöhnen auch die Geschmacksnerven der Menschen mit ihrem einzigartigen Nährwert und Geschmack. Früchte sind reich an Vitaminen, Mineralstoffen und Ballaststoffen, die den menschlichen Körper umfassend ernähren und still und leise unsere Gesundheit „schützen“.

Vitamin C

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Erwähnenswert ist, dass das in Früchten enthaltene Vitamin C aufgrund seiner hervorragenden antioxidativen Wirkung eine wichtige Rolle im menschlichen Körper spielt. Vitamin C kann freie Radikale im Körper wirksam entfernen, den Zellalterungsprozess verlangsamen und die kardiovaskuläre und zerebrovaskuläre Gesundheit schützen. Freie Radikale sind Moleküle oder Atomgruppen, die ungepaarte Elektronen enthalten. Sie sind hochreaktiv und neigen dazu, mit anderen Molekülen zu reagieren, wodurch die Zellstruktur und -funktion gestört wird und oxidativer Stress und Zellschäden entstehen.

Vitamin C ist wie ein hart arbeitender Wächter, der in unserem Körper eine solide Verteidigungslinie gegen äußere Angriffe aufbaut. Stellen Sie sich vor, wenn Sie in eine süße Orange beißen, befriedigt das Fruchtfleisch und der Saft nicht nur Ihre Geschmacksknospen, sondern nimmt auch am „Kampf“ der Antioxidantien im Körper teil.

Was ist also der Mechanismus der antioxidativen Wirkung von Vitamin C?

Vitamin C, auch Ascorbinsäure genannt, ist ein wasserlösliches Vitamin. Der antioxidative Mechanismus von Vitamin C hängt hauptsächlich mit seiner starken reduzierenden Wirkung und seiner Fähigkeit zusammen, freie Radikale zu binden.

Bekämpft freie Radikale: Vitamin C kann mit diesen freien Radikalen reagieren und sie durch die Abgabe von Elektronen stabilisieren und so verhindern, dass sie die Zellen weiter schädigen.

Regeneration anderer Antioxidantien: Vitamin C kann freie Radikale nicht nur direkt eliminieren, sondern auch indirekt seine antioxidative Wirkung entfalten, indem es andere Antioxidantien regeneriert und so ein antioxidatives Netzwerk bildet. Beispielsweise ist Vitamin E das wichtigste Antioxidans in Zellmembranen und kann die Lipidperoxidation verhindern. Wenn Vitamin E jedoch mit freien Radikalen reagiert, oxidiert es sich selbst und verliert seine antioxidative Wirkung. Zu diesem Zeitpunkt kann Vitamin C die Oxidation von Vitamin E reduzieren und seine antioxidative Aktivität wiederherstellen.

Vitaminreiche Früchte

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Was können wir aus den antioxidativen Eigenschaften von Vitamin C lernen?

Halbleiter gelten als Eckpfeiler der modernen Technologie und als Motor zukünftiger Innovationen. Sie sind nicht nur die Seele der elektronischen Informationsindustrie, sondern auch die zentrale Antriebskraft des intelligenten Zeitalters. Unter ihnen haben organische Halbleiter mit ihrer einzigartigen Molekularstruktur, ihrem flexiblen Gestaltungsspielraum und ihren umweltfreundlichen Verarbeitungsmethoden einen „Weg“ zu leistungsstarken, kostengünstigen und umweltfreundlichen elektronischen Geräten geebnet.

Allerdings haben Halbleiter auch ihre „zerbrechliche“ Seite. N-Typ-Halbleiter, auch als elektronische Halbleiter bekannt, basieren zur Stromleitung hauptsächlich auf freien Elektronen und sind wichtige Materialien für grundlegende elektrische Komponenten wie Leuchtdioden und Komplementärschaltungen. Die meisten n-Typ-Halbleiter reagieren sehr empfindlich auf Wasser und Sauerstoff in der Umgebung und oxidieren leicht, was zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften und der Stabilität führt. Dieses Problem plagt die gesamte Halbleiterindustrie. Können wir die gleiche antioxidative Kapazität wie der menschliche Körper erreichen, wenn wir n-Typ-Halbleiter mit Vitamin C „füttern“?

Es klingt vernünftig und ist machbar. Am 27. Juni 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Materials einen Artikel über die Verwendung von Vitamin C zur Verbesserung der Leistung und Stabilität von organischen Halbleitern vom n-Typ und lieferten neue Ideen und Methoden zur Lösung des Stabilitätsproblems von organischen Halbleitern vom n-Typ.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Materials Magazin)

Die Forscher machten sich die antioxidative Wirkung von Vitamin C zunutze und schleuderten Vitamin C auf die Oberfläche des PTCDI-C8-Films (ein organischer Halbleiter vom n-Typ). Dadurch wurde die photooxidative Abbaurate des Halbleiters auf ein Achtzehntel der ursprünglichen Rate reduziert, was die antioxidative Kapazität des organischen Halbleiters vom n-Typ deutlich verbesserte.

Wie wirkt Vitamin C in organischen n-Typ-Halbleitern?

Die Forscher verwendeten stabile und transiente Fluoreszenzspektroskopie, um die Phosphoreszenz-Abklinglebensdauer von Singulett-Sauerstoff, einer Form reaktiver Sauerstoffspezies, zu verfolgen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass nach dem Spin-Coating mit Vitamin C die Lebensdauer von Singulett-Sauerstoff in der Luft von 2,7 Millisekunden auf 1,7 Millisekunden reduziert und die Oxidationskapazität von reaktivem Sauerstoff geschwächt wird. Das antioxidative Prinzip von Vitamin C in organischen Halbleitern vom n-Typ ähnelt dem in Organismen. Vitamin C wird durch „Selbstaufopferung“ zu Dehydroascorbinsäure (DHA) oxidiert. Durch diesen Prozess kann reaktiver Sauerstoff wirksam entfernt und die Oxidation von Halbleitern durch reaktiven Sauerstoff verhindert werden.

Die Forscher fanden außerdem heraus, dass Dehydroascorbinsäure auch die Funktion hat, reaktive Sauerstoffspezies abzufangen. Das bedeutet, dass Vitamin C nicht nur ein Antioxidans ist, sondern dass seine Oxidationsprodukte auch kontinuierlich reaktive Sauerstoffspezies abfangen können, was zu besseren antioxidativen Wirkungen führt.

Molekularstrukturen von Vitamin C, reaktiven Sauerstoffspezies und PTCDI-C8; v. Chr. UV-sichtbare Absorptionsspektren; de. Elektronenspinresonanz-Signaldiagramm; F. Diagramm der Lebensdauer der Singulett-Sauerstoffphosphoreszenz; G. Zielanalyse des rekonstruierten SAS; H. Zeitverlaufsdiagramm des Triplettzustands; ich. Diagramm des Stabilisierungsmechanismus.

(Bildquelle: Referenz 1)

Darüber hinaus zeigten die Forscher auch, dass Vitamin C die antioxidative Kapazität von organischen Halbleitern vom N-Typ auf „nicht-opfernde“ Weise steigert. Insbesondere führt die Einführung von Vitamin C und Oxidationsprodukten in organische Halbleiter vom n-Typ nicht zu neuen Zwischenprodukten, sondern beschleunigt die Zerfallsrate von Triplett-Exzitonen (die mit Sauerstoff reagieren und reaktiven Sauerstoff erzeugen können), die durch Energieanregung im Halbleiter entstehen, und blockiert so effektiv den Entstehungsprozess von reaktivem Sauerstoff.

Um die Wirkung von Vitamin C auf die Stabilität von organischen Halbleiterbauelementen vom n-Typ zu überprüfen, bereiteten die Forscher organische Feldeffekttransistoren vom Typ PTCDI-C8 vor und setzten sie 255 Tage lang der Umwelt aus. Die Ergebnisse zeigten, dass die Stabilität der mit Vitamin C beschichteten Transistoren deutlich verbessert war. Wenn diese Strategie auf den Wechselrichter angewendet wird, weist er eine ideale Wechselrichterspannung und einen höheren Verstärkungswert mit ausgezeichneter Stabilität auf.

Was sind die Anwendungsbereiche von organischen Halbleitern vom n-Typ?

Optoelektronik: Organische Halbleiter vom n-Typ spielen in organischen Solarzellen als Elektronentransportschichten eine Schlüsselrolle. Sie können photogenerierte Elektronen effizient übertragen und den Elektronenverlust während der Übertragung reduzieren, wodurch die Umwandlungseffizienz von Solarzellen verbessert wird.

Solarzellen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Organischer Feldeffekttransistor: In organischen Feldeffekttransistoren dienen organische Halbleitermaterialien vom n-Typ als Elektronenübertragungskanäle, ermöglichen eine effiziente Steuerung und Verstärkung von Elektronen und werden häufig in elektronischen Etiketten, flexiblen Displays, Sensoren und anderen Bereichen eingesetzt.

Organische Fotodetektoren: Organische Halbleiter vom n-Typ zeigen auch in organischen Fotodetektoren einzigartige Vorteile. Sie können optische Signale effizient in elektrische Signale umwandeln und finden breite Anwendung in der optischen Kommunikation, Bildgebung und Sensorik.

Klapp-Handy

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abschluss

Angesichts der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu einer wichtigen Kraft zur Förderung von Innovationen geworden. Die grenzüberschreitende Reise von Vitamin C von der Frucht zum Halbleiter demonstriert nicht nur die unendlichen Möglichkeiten der Weisheit der Natur im Hightech-Bereich, sondern offenbart uns auch das enorme Potenzial, das die interdisziplinäre Integration mit sich bringt. Mit Blick auf die Zukunft haben wir Grund zu der Annahme, dass mit der weiteren Vertiefung der interdisziplinären Zusammenarbeit mehr ähnliche grenzüberschreitende Anwendungen entstehen werden. Bewahren wir unsere Neugier und Offenheit und erleben wir gemeinsam die strahlende Zukunft technologischer Innovationen!

Verweise

1. Yuan, L., Huang, Y., Chen, X. et al. Verbesserung der Leistung und Stabilität von n-Typ organischen Halbleitern durch Vitamin C[J]. Nature Materials, 2024.

2.Huang W, Chen J, Yao Y, et al. Vertikale organische elektrochemische Transistoren für komplementäre Schaltkreise[J].Nature,2023.

3. Zhang Xiangyu, Wang Mang, Chen Hongzheng et al. Forschung und Entwicklung von organischen Halbleiter-Verbundmaterialien und -Bauelementen [J]. Fortschritte in den Naturwissenschaften, 1999.

4. Zhu Changlin, Zhang Wenbin, Sun Peng et al. Kombinierte immunmodulatorische und antioxidative Wirkungen von Vitamin C und Vitamin E[J]. Chinesisches Journal für klinische Rehabilitation, 2006.