La polydopamine (PDA) est un matériau fonctionnel avancé et ses propriétés émergentes d'absorption de la lumière la rendent cruciale pour les applications en science des matériaux. Cependant, il est difficile de concevoir et de réguler rationnellement les propriétés d'absorption du PDA en raison de son architecture complexe. Dans un nouveau rapport, Yuan Zou et une équipe de chercheurs en science des polymères, les matériaux optoélectroniques et la chimie physique en Chine ont proposé une méthode simple pour réguler les comportements d'absorption de la lumière du PDA. Pour y parvenir, ils ont construit des paires donneur-accepteur dans les microstructures via des connexions entre des fragments chimiques spécifiques. Ils ont ensuite utilisé une analyse structurelle et spectrale détaillée ainsi que des simulations de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour confirmer l'existence de telles paires moléculaires donneur-accepteur. Les paires moléculaires pourraient diminuer la bande interdite énergétique (ou la bande interdite énergétique lorsqu'il n'y a pas d'électrons) et augmenter la délocalisation des électrons pour améliorer l'absorption de la lumière sur un large spectre. La conception rationnelle des nanoparticules de PDA avec des propriétés d'absorption réglables a permis un effet photothermique amélioré, ce que l'équipe a démontré avec d'excellentes performances lors du dessalement solaire. L'ouvrage est désormais publié sur Avancées scientifiques .

Polydopamine

Inspiré des pigments bio-macromoléculaires de la mélanine, la polydopamine (PDA) fait l'objet d'une attention croissante pour des applications en ingénierie des surfaces, thérapie photothermique et bio-imagerie. Les fortes propriétés adhésives et d'absorption de la lumière du PDA peuvent également bénéficier à l'ingénierie interfaciale lors de l'assainissement de l'eau. Les scientifiques ont proposé de nombreuses méthodes de synthèse pour préparer des nanomatériaux PDA, bien qu'avec une attention limitée pour réguler son spectre d'absorption. Le processus de polymérisation de la dopamine est composé de plusieurs voies compliquées et n'est donc pas entièrement compris. Par conséquent, Zou et al. ont supposé que la construction de structures hautement conjuguées par rapport aux paires donneur-accepteur dans les nanostructures PDA pourrait réguler le spectre d'absorption de l'échantillon. Pour accomplir cela dans ce travail, ils ont développé une stratégie de synthèse en un seul pot pour synthétiser des nanoparticules de PDA (NP) avec des propriétés d'absorption de la lumière réglables.

Synthèse et caractérisation

Au cours du processus de synthèse, ils ont effectué la copolymérisation directe de 2, 2, 6, 6-tétraméthylpipéridine-1-oxyl (TEMPO) - un radical nitroxyle typique, sur la dopamine dans une solution aqueuse. Ils ont dopé la fraction TEMPO à la microstructure de la polydopamine en connectant de manière covalente la molécule avec 5, 6-dihydroxyindole (DHI) et Indole-5, Des oligomères de 6-quinone (IQ) pour réduire les bandes interdites énergétiques du matériau et améliorer les comportements d'absorption de la lumière des nanoparticules de polydopamine conventionnelles (PDA NP). Les scientifiques ont confirmé les résultats en utilisant une analyse électrochimique, simulations de la théorie fonctionnelle de la densité et mesures spectrales. Les travaux ont démontré une efficacité photothermique exceptionnelle pour le produit qui peut être utilisé dans la génération de vapeur solaire interfaciale et le dessalement de l'eau de mer.

Les scientifiques ont développé trois types de PDA NP (classés entre 1 et 3) avec des teneurs en dopage différentes et des tailles de particules similaires en ajustant la concentration initiale de TEMPO. Ils ont synthétisé des NP de PDA conventionnelles par autopolymérisation de la dopamine en présence d'ammonium en utilisant une méthode bien établie. Ils ont observé les caractéristiques de l'échantillon PDA résultant en utilisant la microscopie électronique à balayage, diffusion dynamique de la lumière et spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR). En utilisant la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), ils ont confirmé l'existence du carbone, azote, et des éléments d'oxygène dans tous les échantillons de PDA mettant en évidence la préparation réussie de NP de PDA dopées au TEMPO. Sur la base des résultats, Zou et al. a émis l'hypothèse de deux voies possibles pour former la structure macromoléculaire réticulée.

Absorption de la lumière et comportement photothermique améliorés des PDA dopés TEMPO.

L'équipe a examiné la capacité d'absorption de la lumière et l'effet photothermique total de ces NPs PDA dopées TEMPO, où le produit a fortement absorbé la lumière en capturant et en convertissant l'énergie solaire en énergie thermique efficacement avec des applications de grande envergure. Lors d'autres tests, ils ont dispersé le PDA-3 dans l'eau à plusieurs concentrations pour une irradiation sous laser. Comparé à de nombreux autres matériaux photothermiques exceptionnels, les NPs PDA dopées TEMPO ont montré de meilleurs comportements photothermiques. Par exemple, Zou et al. ont noté comment les nanoparticules d'or pourraient subir une perte substantielle d'absorbance de la lumière après une irradiation à long terme en raison de la destruction structurelle via la chaleur associée des conditions expérimentales. L'équipe a démontré de manière contrastée comment les PDA NP dopés au TEMPO maintenaient des capacités d'absorption de lumière améliorées avec des comportements photothermiques améliorés par rapport aux nanomatériaux photothermiques conventionnels. Le matériau résultant peut servir d'agents photothermiques de nouvelle génération pour compléter une variété d'applications.

Les scientifiques ont noté la formation spontanée de microstructures donneur-accepteur dans le système PDA basé sur TEMPO en raison de la conjugaison chimique entre TEMPO et DHI, IQ et leurs oligomères au cours du processus de polymérisation. Cette réaction a contribué à la bande interdite d'énergie inférieure et à une meilleure absorption de la lumière du produit. Pour vérifier cela, ils ont calculé la valeur de la bande interdite optique de différents échantillons de PDA dans leurs formes de solution aqueuse ainsi que leur voltamétrie cyclique électrochimique (CV) pour étudier les bandes interdites énergétiques de tous les échantillons. Ils ont établi l'orbitale moléculaire occupée la plus élevée (HOMO) et l'orbitale moléculaire inoccupée la plus basse (LUMO) à l'aide des mesures CV et ont établi l'unité TEMPO en tant que fragment donneur. Au fur et à mesure que la concentration de dopage de TEMPO augmentait, la proportion de la fraction du QI a également augmenté progressivement, résultant en une meilleure délocalisation des électrons pour une meilleure absorption de la lumière. L'équipe a émis l'hypothèse d'une augmentation des radicaux libres lors de la synthèse de PDA via le dopage TEMPO, qu'ils ont testés et vérifiés à l'aide de mesures de résonance paramagnétique électronique (RPE). Étant donné que les spectres d'absorption induite par les excitons (EIA) ne reposaient pas sur la quantité de TEMPO dopée pour former le composé, l'équipe l'a largement attribué à la présence d'excitons dans ses constituants supplémentaires (tels que DHI, QI).

Applications du dessalement de l'eau

Les excellentes propriétés photothermiques et d'absorption de la lumière du PDA à base de TEMPO ont rendu le matériau bien adapté aux applications de génération de vapeur d'eau et de dessalement d'eau de mer. De la variété des échantillons, Zu et al. sélectionné PDA-3 comme le candidat le plus prometteur pour développer le dispositif d'évaporation. Pour y parvenir, ils ont déposé la solution aqueuse de PDA-3 sur une membrane de cellulose en tant qu'absorbeur de lumière hydrophile et ont empêché le contact direct avec l'eau en utilisant une couche d'isolation thermique telle que le polystyrène. Lorsque Zou et al. exposé le montage expérimental à l'irradiation solaire, ils purifiaient l'eau en recueillant l'eau condensée de la vapeur solaire. La membrane de cellulose revêtue de PDA-3 a montré une meilleure absorption de la lumière par rapport aux échantillons témoins. La construction a absorbé la majorité de l'énergie solaire dans les régions UV et visible. Pour comprendre les performances de génération de vapeur solaire et d'évaporation photothermique, ils ont mesuré la perte de poids de l'eau lors de l'évaporation et ont considéré l'efficacité de conversion énergétique comme un indice important. Les résultats ont indiqué la faisabilité du dispositif de dessalement parallèlement à une activité efficace et durable.

De cette façon, Yuan Zou et ses collègues ont proposé une méthode simple pour réguler le spectre d'absorption de la polydopamine (PDA) dans un processus de polymérisation en un seul pot en présence de dopamine et de TEMPO. Les nanoparticules résultantes avaient une capacité d'absorption de la lumière et des effets photothermiques améliorés par rapport aux nanomatériaux PDA conventionnels en raison des structures donneur-accepteur dans le système PDA. Lorsqu'ils ont enduit le PDA à base de TEMPO obtenu sur le film de cellulose, la construction a agi comme un absorbeur de lumière solaire adapté à l'évaporation de l'eau avec un rendement élevé de conversion solaire et un excellent taux d'évaporation. Les travaux offriront de nouvelles opportunités pour les nanomatériaux PDA structurels et fonctionnels adaptés aux applications de récolte de lumière.

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