Récemment, une équipe de recherche de l’Université Waseda a développé une nouvelle famille de HRIP appelée poly(thiourée). Grâce à des interactions intermoléculaires uniques, ces composés peuvent être facilement transformés en HRIP transparents à faible coût pour des applications optoélectroniques, ainsi que dégradés et recyclés via un protocole peu coûteux, ce qui en fait une option durable.

Les dispositifs optoélectroniques ont trouvé leur place dans de nombreux aspects de notre vie quotidienne, des écrans OLED aux photodétecteurs, en passant par les systèmes de sécurité et la surveillance environnementale. Dans toutes les applications, ces appareils utilisent des polymères à indice de réfraction élevé (HRIP) pour contrôler la lumière.

En général, les propriétés optiques des HRIP transparents permettent une transmission et une manipulation efficaces de la lumière, permettant aux dispositifs optoélectroniques de guider et de contrôler le flux de lumière pour améliorer leurs performances.

Cependant, il n’existe pas d’options peu coûteuses pour les HRIP qui puissent garantir de bonnes performances optiques tout en étant transparentes et respectueuses de l’environnement. En effet, pour la plupart des matériaux, il existe un compromis inhérent entre leur indice de réfraction, leur transparence et leur aptitude au traitement.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Kenichi Oyaizu du Département de chimie appliquée de l'Université Waseda, au Japon, a trouvé un moyen de contourner ce problème. Dans leur article publié dans Advanced Functional Materials , les chercheurs rapportent un nouveau type de HRIP aromatique dont les propriétés en font un candidat parfait pour les applications optoélectroniques modernes.

Cet article a été co-écrit par Seigo Watanabe de l'Institut de recherche en sciences et en ingénierie de l'Université Waseda, ainsi que par Luca M. Cavinato et Rubén D. Costa, tous deux de la Chaire des matériaux fonctionnels biogéniques de l'Université technique de Munich, en Allemagne.

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La famille de composés proposée est appelée poly(thiourée) (PTU), chaque unité répétitive du polymère (le monomère) comprenant un simple cycle aromatique lié à un groupe thiourée (H₂ N−C(=S)−NH₂ ). Ces PTU ont une propriété exceptionnelle :les unités thiourée des différents brins de polymère s'attirent via des liaisons hydrogène, ce qui est un type d'interaction intermoléculaire.

En termes simples, les atomes de soufre (S) d'un groupe thiourée attirent les atomes d'hydrogène (H) liés à l'azote (N) dans un autre groupe thiourée en raison des différences locales de charge électrique.

Ces soi-disant « liaisons hydrogène polarisables » provoquent une densité dense du matériau PTU, créant ainsi des réseaux denses. Le polymère étant amorphe et n’ayant aucun ordre cristallin, il est hautement transparent. Pendant ce temps, les anneaux aromatiques servent d'espaceurs, offrant une certaine rigidité et résistance mécanique et contribuant à un indice de réfraction plus élevé.

L'équipe de recherche a soigneusement analysé les propriétés de ces PTU et a démontré leur potentiel en les incorporant dans des composants optoélectroniques expérimentaux, obtenant ainsi des résultats remarquables. Plus précisément, les PTU proposés ont démontré une transparence élevée de plus de 92 % et un indice de réfraction exceptionnel de 1,81.

L'équipe a notamment étudié si les PTU pouvaient être facilement dégradées en molécules utiles plus simples.

"En raison des récents problèmes environnementaux causés par les déchets plastiques, la dégradation des polymères en monomères devient une fonctionnalité essentielle menant à un recyclage durable. À notre connaissance, il y a eu extrêmement peu de tentatives pour conférer une dégradabilité aux HRIP, et des conceptions systématiques de produits dégradables ont été réalisées. Aucun HRIP n'a été signalé malgré de tels besoins mondiaux", déclare le professeur Oyaizu.

Leurs efforts ont abouti à un protocole de dégradation simple qui implique des conditions de chauffage douces et un mélange avec des diamines, ce qui est suffisant pour briser les PTU en morceaux plus petits qui peuvent être retraités ou réutilisés pour la synthèse chimique de nouveaux PTU.

Dans l'ensemble, les résultats de cette étude sont très prometteurs pour l'avenir des matériaux et dispositifs optoélectroniques dans un contexte plus large de durabilité.

"Sur la base de ces résultats, des matériaux optiques respectueux de l'environnement seraient facilement préparables avec un processus simple, permettant une optoélectronique durable telle que des écrans lumineux à faible coût, des dispositifs d'éclairage portables et des lunettes en polymère plus fines, plus légères et dégradables", conclut le professeur Oyaizu.

"Je pense qu'il s'agit de la première étape vers la conception complète de polymères optoélectroniques de nouvelle génération capables de fournir une efficacité d'extraction de lumière élevée sans nuire à l'environnement."