Popid polümeerid pakuvad huvitavat tulevikku
Terje Raudsepp uuris oma doktoritöös elektrit juhtiva polümeeri polüpürrooli omadusi, millel on palju võimalikke kasutusalasid militaarsest kaitseriietusest kuni kunstlihasteni. Elektrit juhtivad polümeerid on populaarsed uurimisobjektid, sest neid on lihtne valmistada ning nende tehnoloogilised rakendused on perspektiivikad. Tänu oma püsivale ning heale elektrijuhtivusele ning stabiilsusele on polüpürrool üks  lootustandvamaid. Näiteks saab polüpürrooli elektrijuhtivust muuta mitme suurusjärgu ulatuses, elektriisolaatorist kuni pooljuhini välja. Seni on polüpürroolist valmistatud spetsiaalset kangast, millest tehakse militaarotstarbelisi rõivaid ja maskeerimiskatteid eesmärgiga hajutada radari- ja infrapunakiirgust. Sellises riietuses muutub inimene jälgimisseadmetele nähtamatuks ning samamoodi saab polüpürrooliga kaetud lennukeid varjata radarite eest. Materjali võimalikud kasutusalad laienevad järjest. «Viimastel aastatel on avaldatud juba artikleid, kus polüpürrooli püütakse kasutada närvirakkude sidumiseks,» rääkis vastne doktor Terje  Raudsepp(pildil). On leitud, et elektrilisi impulsse, mida kannavad edasi närvirakud, on suutelised edasi kandma ka polüpürrooli ahelad. Raudsepa sõnul on eriti ahvatlev võimalus valmistada polüpürroolist odavaid mehaanilistele deformatsioonidele vastupidavaid pooljuhtseadmeid. «Üheks huvipakkuvamaks rakenduseks oleks näiteks õhukeste painduvate mobiiltelefonide ekraanide valmistamine,» sõnas autor. Juhtivaid polümeere saaks põhimõtteliselt kasutada akudes, sest nad on tühjaks- ja täislaetavad. Näiteks oleks võimalik sellest materjalist valmistada elektriautode kondensaatoreid. Samuti võib polüpürrool kokku tõmbuda või paisuda, mis annab lootust neid kunagi kasutada kunstlihaste materjalina. «Võib-olla kunagi tulevikus luuakse kunstlihas, mida on võimalik elusorganismi siirdada, kuid niipea seda siiski ei juhtu.» Põhimõtteliselt on võimalik polüpürroolist valmistada seadmeid, mida saab meditsiinis kasutada dosaatoritena. Raudsepa hinnangul võib meditsiin olla üks valdkond, mille jaoks hakatakse tulevikus kõige rohkem polüpürrooli rakendusi välja töötama. «Polüpürrool on materjal, mida tasub uurida ja millel on tulevikku,» sõnas ta.Alusuuring tuleviku tarbeks Raudsepa doktoritöö ei olnud aga rakenduslik, vaid alussuuring, mida saab aluseks võtta hilisemate rakenduste väljatöötamiseks. «Alusuuringud annavad arusaamise, miks ja kuidas protsessid toimuvad.» Raudsepa uuringu tulemused võivad avaldada olulist mõju paljude uurijate seniste tööde metoodikale ja tulemuste tõlgendamisele. Raudsepp keskendus doktoritöös polüpürroolist kilede omaduste muutustele, mis leiavad aset erinevate elektrolüütide lahustes. «Uurisin, kuidas käituvad erinevad kiled sõltuvalt sünteesitingimustest ning milliste omadustega kiled tekivad,» selgitas autor. Eelkõige uuris Raudsepp kiledes redoksomadusi ehk redutseerimise võimet, ioonide liikuvust ja ioonivahetust  kiles.Sünteesimeetod Selleks, et polüpürrool elektrit paremini juhiks, on vajalik ahelas mõne vaba laengukandja tekitamine ehk mõne elektroni eemaldamine. Dopeerimine on protsess, mille käigus elektronid eemaldatakse ja sünteesilahuses olevad anioonid sisenevad polümeeri. Polümeeri sisenenud anioone tuntakse dopantide nime all. Dopantanioonid tasakaalustavad polüpürrooli ahelatele oksüdeerumise käigus  tekkinud positiivset laengut ning mõjutavad materjali struktuuri ja teisi omadusi. Polüpürrooli saab sünteesida peale elektrokeemiliste meetodite ka keemiliste meetoditega. Elektrokeemiline sünteesimeetod on keemilisest parem, sest seda kasutades on võimalik tekkiva materjali omadusi suhteliselt lihtsalt kontrollida ja opereerida väga väikeste kogustega. Raudsepp sünteesis eri paksusega kilesid elektrokeemiliselt konstantsel voolutihedusel ehk galvanostaatilisel meetodil. «Nii on kile paksus kontrollitav, sest on välja pakutud, et teatud sünteesilaengu hulgale vastab teatud kile paksus.» Kilede sünteesimisel kasutati kolme aniooni: benseensulfonaati, para-tolueensulfonaati, naftaleen-1,5-disulfonaati. Sünteesijärgselt on polüpürrool oksüdeeritud ja elektrit juhtivas olekus, tema ahelal on positiivsed laengud. Pärast sünteesi on võimalik kilet redutseerida ja oksüdeerida ning sõltuvalt sellest muutuvad ka polümeeri omadused. Mis täpselt juhtub redutseerimise ja oksüdeerimise käigus, sõltub juba ioonide liikuvusest kiles. «Uurimuse raames püüdsime me ära kasutada tekkinud polümeeri häid omadusi ehk head juhtivust, plastilisust ja stabiilsust ning siduda neid väikeste ioonide parema liikuvusega.» Selle eesmärgi saavutamiseks  vahetati sünteesi käigus kilesse sisenenud ioone teiste väiksemate ioonide vastu. Tavaliselt uuritava materjali kirjeldamiseks ainult ühest meetodist ei piisa, mistõttu kasutati erinevad meetodeid materjali uurimiseks. Raudsepp kasutas polüpürrooli elektrokeemiliste omaduste uurimiseks tsüklilise voltamperomeetria meetodit.Huvitavad tulemused Eksperimentaalsed uuringud näitasid, et võrdlemisi sarnaste dopantioonidega sünteesitud kiledel on üsna erinevad elektrokeemilised omadused sõltuvalt lahuse koostisest ning paksusest. Mõõtmised näitasid, et aromaatsete dopantidega dopeeritud kilede redoksaktiivsust on võimalik oluliselt suurendada ümberdopeerimisega. Redoksaktiivuse all mõisteti antud töös redutseerumiseks ja oksüdeerumiseks kulunud laenguhulkasid.  Ümberdopeerimine on protsess, kus sünteesi käigus algselt kilesse sisenenud anioonid vahetatakse välja teist tüüpi anioonide vastu. Suurim redoksaktiivsus saavutati kõikide kilede korral naatriumsulfaati sisaldavas lahuses. «Mõõtmisest saab järeldada seda, et kui me kasutame väiksemaid ioone ehk vahetame suuremad väiksemate vastu, siis kilede redoks-mahtuvus suurenes, enamikel juhtudel peaaegu kaks korda.» Kahjuks ei realiseeru polümeeride korral kogu laeng ehk kogu polümeer ei ole elektrokeemiliselt aktiivne. Ümberdopeerimise tulemused näitasid aga seda, et on võimalik saavutada olukord, kus kogu polümeer on elektrokeemiliselt aktiivne, mistõttu on perspektiivis võimalik kasutada neid kilesid keemilistes vooluallikates. Mõõtmistulemused näitasid, et dopeerimisastmed nende kilede korral olid suhteliselt kõrged ning ületavad seni teadaolevaid tulemusi.Kommentaar  Jüri  Tamm emeriitprofessor, anorgaanilise keemia vanemteadur, doktoritöö juhendaja Terje Raudsepp uuris oma doktoritöös kompleksselt polüpürrooli elektrokeemilisi omadusi ja tema töö on suure teadusliku väärtusega. Nagu rõhutas ka üks oponentidest, professor Mikhael Levi, on töös püstitatud konkreetsed eesmärgid ja need sihikindlate uuringutega ka lahendatud. Tuleb rõhutada autori väga häid eksperimenteerijavõimeid. Ma olen veendunud, et maailmas ei ole just palju uurimiskeskusi, kus juhtivate polümeeride uuringud on tehtud nii suure reprodutseeritavusega. Saadud tulemused võivad avaldada olulist mõju paljude uurijate tööde metoodikale ja tulemuste interpreteerimisele. Doktoritöös on selgelt näidatud, et ioonide vahetus polümeeri ja lahuse vahel on sageli suhteliselt kiire ka niisugustes süsteemides, mida on peetud suhteliselt stabiilseteks, mistõttu mitmete uuringute tulemuste interpretatsioonides on suuri ebatäpsusi. Praktilise poole pealt tuleks rõhutada, et Raudsepa töö näitab, kuidas väga lihtsate meetoditega on võimalik parandada juhtivate polümeeride elektrokeemilist aktiivsust.  Tartu ülikooli uurimisrühm on rahvusvahelisel tasemel küllalt tuntud. On olnud palju suulisi ettekandeid rahvusvahelistel konverentsidel, mõned kutsed esineda on jäänud ka kasutamata. Samas on keemia instituudi anorgaanilise keemia õppetooli uurimisrühm suhteliselt väike, kuid tänu koostööle molekulaartehnoloogia õppetooliga ja eriti füüsika instituudiga on uurimisvõimalused laienenud. Viimastel aastatel on meie kahe doktorikraadi omandanud teaduri, Tarmo Tamme ja Urmas Johansoni eestvedamisel kujunemas tehnoloogia instituudis uus uurimisrühm. Terje Raudsepa doktoritööd saab lugeda siit. Artikkel ilmus ajakirjas Universitas Tartuensis.
