Nye polymerer med højt brydningsindeks viser løfte inden for bæredygtig optoelektronik

Polymerer med højt brydningsindeks (HRIP'er) er afgørende for fremstilling af moderne optoelektroniske enheder, herunder skærme og lyssensorer. Imidlertid er højtydende HRIP'er dyre og miljøvenlige.

For nylig udviklede et forskerhold fra Waseda University en ny familie af HRIP'er kaldet poly(thiourea)'er. Takket være unikke intermolekylære interaktioner kan disse forbindelser nemt forarbejdes til billige gennemsigtige HRIP'er til optoelektroniske applikationer, samt nedbrydes og genbruges gennem en billig protokol, hvilket gør dem til en bæredygtig mulighed.

Optoelektroniske enheder har fundet vej til mange aspekter af vores daglige liv, lige fra OLED-skærme til fotodetektorer, sikkerhedssystemer og miljøovervågning. I alle applikationer anvender disse enheder polymerer med højt brydningsindeks (HRIP'er) til at kontrollere lyset.

Generelt muliggør de optiske egenskaber ved transparente HRIP'er effektiv lystransmission og manipulation, hvilket gør det muligt for optoelektronikkenheder at styre og kontrollere lysstrømmen for at forbedre deres ydeevne.

Der er dog ingen billige muligheder for HRIP'er, der kan garantere god optisk ydeevne, samtidig med at de er gennemsigtige og miljøvenlige. Dette skyldes, at der for de fleste materialer eksisterer en iboende afvejning mellem deres brydningsindeks, gennemsigtighed og forarbejdelighed.

Et forskerhold ledet af professor Kenichi Oyaizu fra Institut for Anvendt Kemi ved Waseda University, Japan, fandt en måde at omgå dette problem. I deres artikel udgivet i Advanced Functional Materials , rapporterer forskerne om en ny type aromatisk HRIP, hvis egenskaber gør den til en perfekt kandidat til moderne optoelektroniske applikationer.

Denne artikel er medforfattet af Seigo Watanabe fra Research Institute of Science and Engineering, Waseda University, samt Luca M. Cavinato og Rubén D. Costa, begge fra Chair of Biogenic Functional Materials, Technical University of München, Tyskland.

• .

• 

• 

Den foreslåede familie af forbindelser kaldes poly(thiourea)'er (PTU'er), hvor hver gentagende enhed af polymeren (monomeren) omfatter en simpel aromatisk ring forbundet til en thiourinstofgruppe (H₂ N−C(=S)−NH₂ ). Disse PTU'er har en enestående egenskab:thiourinstof-enhederne i forskellige polymerstrenge tiltrækker hinanden via hydrogenbindinger, som er en type intermolekylær interaktion.

Enkelt sagt tiltrækker svovl-(S)-atomerne i en thiourinstofgruppe hydrogen-(H)-atomerne forbundet med nitrogen (N) i en anden thiourinstofgruppe på grund af lokale forskelle i elektrisk ladning.

Disse såkaldte "polariserbare hydrogenbindinger" får PTU-materialet til at blive tæt pakket, hvilket skaber tætte netværk. Da polymeren er amorf og ikke har nogen krystallinsk orden, er den meget gennemsigtig. I mellemtiden tjener de aromatiske ringe som afstandsstykker, der giver en vis stivhed og mekanisk styrke og bidrager til et højere brydningsindeks.

Forskerholdet analyserede omhyggeligt egenskaberne af disse PTU'er og demonstrerede deres potentiale ved at inkorporere dem i eksperimentelle optoelektroniske komponenter, hvilket opnåede bemærkelsesværdige resultater. Mere specifikt viste de foreslåede PTU'er en høj gennemsigtighed på over 92 % og et exceptionelt brydningsindeks på 1,81.

Navnlig undersøgte holdet også, om PTU'er let kunne nedbrydes til enklere nyttige molekyler.

"På grund af de seneste miljøproblemer forårsaget af plastikaffald bliver nedbrydningen af ​​polymerer til monomerer en væsentlig funktionalitet, der fører til bæredygtig genanvendelse. Så vidt vi ved, har der været ekstremt få forsøg på at bibringe nedbrydelighed til HRIP'er, og systematisk design til nedbrydeligt materiale. HRIP'er er ikke blevet rapporteret på trods af sådanne globale behov," siger prof. Oyaizu.

Deres indsats førte til en simpel nedbrydningsprotokol, der involverer milde opvarmningsforhold og blanding med diaminer, hvilket er nok til at bryde PTU'er op i mindre stykker, der kan oparbejdes eller genbruges til den kemiske syntese af nye PTU'er.

Samlet set er resultaterne af denne undersøgelse meget lovende for fremtiden for optoelektroniske materialer og enheder i en større sammenhæng med bæredygtighed.

"Baseret på disse resultater ville miljøvenlige optiske materialer let kunne fremstilles med en simpel proces, hvilket muliggør bæredygtig optoelektronik såsom billige lysstærke skærme, bærbare belysningsenheder og tyndere, lettere og nedbrydelige polymerbriller," konkluderer Prof. Oyaizu.

"Jeg tror, ​​at dette er det første skridt mod det omfattende design af næste generation af optoelektroniske polymerer, der kan give høj lysudvindingseffektivitet uden at skade miljøet."

Flere oplysninger: Seigo Watanabe et al, Polarizable H-Bond Concept in Aromatic Poly(thiourea)s:hidtil uset højt brydningsindeks, transmittans og nedbrydelighed ved kraft for at forbedre lyseffektiviteten, avancerede funktionelle materialer (2024). DOI:10.1002/adfm.202404433

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Waseda University