Des scientifiques de l'Imperial College de Londres, travaillant à l'Institut Laue-Langevin, ont présenté une nouvelle façon de positionner les nanoparticules dans les plastiques, avec des applications importantes dans la production de revêtements et de matériaux photovoltaïques qui récupèrent l'énergie du soleil. L'étude, Présenté dans Matériaux avancés (article de couverture), utilisé des neutrons pour comprendre le rôle que la lumière – même la lumière ambiante – joue dans la stabilisation de ces films minces notoirement instables. Comme preuve de concept, l'équipe a montré comment la combinaison de la chaleur et de la lumière visible et UV de faible intensité pourrait à l'avenir être utilisée comme un moyen précis, outil à faible coût pour l'impression 3D d'auto-assemblage, circuits en couches minces sur ces films.

Les films minces constitués de longues chaînes de molécules organiques appelées polymères et fullerènes (grandes molécules en forme de ballon de football composées entièrement de carbone) sont principalement utilisés dans les cellules solaires polymères où ils émettent des électrons lorsqu'ils sont exposés aux rayons solaires visibles ou ultraviolets. Ces matériaux dits photovoltaïques peuvent générer de l'énergie électrique en convertissant le rayonnement solaire en courant électrique continu.

Les cellules solaires polymères présentent un intérêt important pour l'électronique de faible puissance, tels que les réseaux de capteurs sans fil autonomes utilisés pour tout surveiller, de la température de l'océan au stress à l'intérieur d'un moteur de voiture. Ces mélanges fullerène-polymère sont particulièrement attractifs car ils sont légers, pas cher à faire, souple, personnalisable au niveau moléculaire, et relativement respectueux de l'environnement.

Cependant, les cellules solaires polymères actuelles n'offrent qu'environ un tiers de l'efficacité des autres matériaux de récupération d'énergie, et sont très instables.

Afin d'améliorer la compréhension scientifique de la dynamique de ces systèmes et donc de leurs performances opérationnelles, l'équipe a réalisé des expériences de réflectométrie neutronique à l'ILL, le centre phare mondial de la science neutronique, sur un film modèle simple composé de fullerènes purs avec un polymère souple. La réflectométrie neutronique est une technique non destructive qui vous permet de « raser » des couches de ces films minces pour examiner ce qui arrive aux fullerènes et aux polymères séparément, à une résolution à l'échelle atomique, dans toute leur profondeur.

Alors que les théories précédentes suggéraient que la stabilisation des couches minces était liée à la formation d'une couche de nanoparticules de fullerène expulsées à l'interface du substrat, des expériences de réflectométrie neutronique ont montré que les "ballons de football" de carbone restent uniformément répartis dans toute la couche. Au lieu, l'équipe a révélé que la stabilisation des films était causée par une forme de photoréticulation des fullerènes. Le processus confère une plus grande intégrité structurelle aux films, ce qui signifie que les films ultrafins, (jusqu'à 10 000 fois plus petit qu'un cheveu humain) deviennent facilement stables avec des traces de fullerène.

Les implications de cette découverte sont importantes, en particulier dans le potentiel de créer des dispositifs en plastique beaucoup plus minces qui restent stables, avec une efficacité et une durée de vie accrues (alors que la plus petite quantité de matériau nécessaire minimise leur impact environnemental).

La sensibilité à la lumière suggère également un outil unique et simple pour imprimer des motifs et des dessins sur ces films notoirement instables. Pour prouver le concept, l'équipe a utilisé un photomasque pour contrôler spatialement la distribution de la lumière et de la chaleur ajoutée. La combinaison amène les fullerènes à s'auto-assembler en motifs connectés et déconnectés bien définis, sur demande, simplement en chauffant le film jusqu'à ce qu'il commence à ramollir. Il en résulte une topographie spontanée et peut constituer la base d'un outil peu coûteux pour l'impression 3D de circuits à couche mince. D'autres applications potentielles pourraient inclure la structuration de capteurs ou d'échafaudages biomédicaux.

À l'avenir, l'équipe cherche à appliquer ses découvertes aux polymères conjugués et aux dérivés du fullerène, plus fréquent dans les films commerciaux, et les revêtements industriels à couche mince.