Wetenschap
Nieuwe polymeren met hoge brekingsindex zijn veelbelovend in duurzame opto-elektronica
Polymeren met hoge brekingsindex (HRIP's) zijn essentieel voor de productie van moderne opto-elektronische apparaten, waaronder beeldschermen en lichtsensoren. Hoogwaardige HRIP's zijn echter duur en milieuonvriendelijk.
Onlangs heeft een onderzoeksteam van de Waseda Universiteit een nieuwe familie HRIP’s ontwikkeld, poly(thioureum) genaamd. Dankzij unieke intermoleculaire interacties kunnen deze verbindingen eenvoudig worden verwerkt tot goedkope transparante HRIP's voor opto-elektronische toepassingen, en worden afgebroken en gerecycled via een goedkoop protocol, waardoor ze een duurzame optie worden.
Opto-elektronische apparaten hebben hun weg gevonden naar vele aspecten van ons dagelijks leven, van OLED-schermen tot fotodetectoren, beveiligingssystemen en omgevingsmonitoring. In alle toepassingen maken deze apparaten gebruik van polymeren met een hoge brekingsindex (HRIP's) om het licht te controleren.
Over het algemeen maken de optische eigenschappen van transparante HRIP's efficiënte lichttransmissie en -manipulatie mogelijk, waardoor opto-elektronische apparaten de lichtstroom kunnen sturen en controleren om hun prestaties te verbeteren.
Er zijn echter geen goedkope opties voor HRIP's die goede optische prestaties kunnen garanderen en tegelijkertijd transparant en milieuvriendelijk zijn. Dit komt omdat er voor de meeste materialen een inherente wisselwerking bestaat tussen hun brekingsindex, transparantie en verwerkbaarheid.
Een onderzoeksteam onder leiding van professor Kenichi Oyaizu van de afdeling Toegepaste Scheikunde van de Waseda Universiteit, Japan, heeft een manier gevonden om dit probleem te omzeilen. In hun artikel gepubliceerd in Advanced Functional Materials rapporteren de onderzoekers een nieuw type aromatische HRIP waarvan de eigenschappen het een perfecte kandidaat maken voor moderne opto-elektronische toepassingen.
Dit artikel is co-auteur van Seigo Watanabe van het Research Institute of Science and Engineering, Waseda University, evenals Luca M. Cavinato en Rubén D. Costa, beiden van de leerstoel Biogene Functionele Materialen, Technische Universiteit van München, Duitsland.
-
Onderzoekers rapporteren een nieuwe familie van goedkope, duurzame polymeren die nuttig zouden kunnen zijn voor moderne beeldschermen, fotodetectoren en verlichtingsapparatuur. Credit:Kenichi Oyaizu van Waseda University -
a) Moleculair ontwerp van poly(thioureum) s (PTU's) met polariseerbare groepssynergie, b) plausibele schematische weergave van ongeordende (verschillende conformationele) H-bindingsnetwerken tussen de PTU-ketens die polariseerbare supramoleculaire netwerken mogelijk maken, en c) schematische weergave van de architectuur van lichtgevende elektrochemische cellen. Credit:Kenichi Oyaizu van Waseda University -
Onderzoekers stellen een zeer goedkoop protocol op om de voorgestelde polymeren om te zetten in monomeren die kunnen worden hergebruikt voor andere chemische syntheseprocedures. Dit protocol bestaat uit slechts milde verwarming en de toevoeging van diamine en zorgt ervoor dat de voorgestelde familie van verbindingen compatibel is met de huidige duurzaamheidsdoelstellingen. Credit:Kenichi Oyaizu van Waseda University
De voorgestelde familie van verbindingen wordt poly(thioureum) (PTU's) genoemd, waarbij elke zich herhalende eenheid van het polymeer (het monomeer) een eenvoudige aromatische ring omvat, gekoppeld aan een thioureumgroep (H2 N−C(=S)−NH2 ). Deze PTU's hebben een uitzonderlijke eigenschap:de thioureumeenheden in verschillende polymeerstrengen trekken elkaar aan via waterstofbruggen, wat een soort intermoleculaire interactie is.
Simpel gezegd trekken de zwavelatomen (S) van een thioureumgroep de waterstofatomen (H) gekoppeld aan stikstof (N) in een andere thioureumgroep aan vanwege lokale verschillen in elektrische lading.
Deze zogenaamde "polariseerbare waterstofbruggen" zorgen ervoor dat het PTU-materiaal dicht opeengepakt wordt, waardoor dichte netwerken ontstaan. Omdat het polymeer amorf is en geen kristallijne orde heeft, is het zeer transparant. Ondertussen dienen de aromatische ringen als afstandhouders, waardoor ze voor enige stijfheid en mechanische sterkte zorgen en bijdragen aan een hogere brekingsindex.
Het onderzoeksteam analyseerde zorgvuldig de eigenschappen van deze PTU's en demonstreerde hun potentieel door ze op te nemen in experimentele opto-elektronische componenten, waardoor opmerkelijke resultaten werden verkregen. Meer specifiek vertoonden de voorgestelde PTU's een hoge transparantie van meer dan 92% en een uitzonderlijke brekingsindex van 1,81.
Het team heeft met name ook onderzocht of PTU's gemakkelijk kunnen worden afgebroken tot eenvoudiger bruikbare moleculen.
"Vanwege de recente milieuproblemen veroorzaakt door plastic afval, wordt de afbraak van polymeren tot monomeren een essentiële functionaliteit die leidt tot duurzame recycling. Voor zover wij weten zijn er extreem weinig pogingen geweest om HRIP's afbreekbaar te maken, en zijn er systematische ontwerpen voor afbreekbare materialen ontwikkeld." HRIP's zijn ondanks dergelijke mondiale behoeften niet gerapporteerd", zegt prof. Oyaizu.
Hun inspanningen hebben geleid tot een eenvoudig degradatieprotocol waarbij milde verhittingsomstandigheden en vermenging met diaminen nodig zijn, wat voldoende is om PTU's in kleinere stukjes op te breken die opnieuw kunnen worden verwerkt of hergebruikt voor de chemische synthese van nieuwe PTU's.
Over het geheel genomen zijn de resultaten van dit onderzoek zeer veelbelovend voor de toekomst van opto-elektronische materialen en apparaten in de bredere context van duurzaamheid.
"Gebaseerd op deze bevindingen zouden milieuvriendelijke optische materialen gemakkelijk te vervaardigen zijn met een eenvoudig proces, waardoor duurzame opto-elektronica mogelijk wordt, zoals goedkope heldere beeldschermen, draagbare verlichtingsapparatuur en dunnere, lichtere en afbreekbare polymeerbrillen", concludeert prof. Oyaizu.
"Ik geloof dat dit de eerste stap is in de richting van het alomvattende ontwerp van opto-elektronische polymeren van de volgende generatie die een hoge lichtextractie-efficiëntie kunnen bieden zonder het milieu te schaden."