Een onderzoeksteam van het RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) is erin geslaagd een zelfherstellend materiaal te ontwikkelen dat ook in staat is een hoge hoeveelheid fluorescentie uit te zenden wanneer het licht absorbeert. Het onderzoek is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society , zou de weg kunnen wijzen naar de creatie van nieuwe materialen zoals organische zonnecellen die duurzamer zijn dan de huidige typen.

In 2019 copolymeriseerden Zhaomin Hou en zijn team bij RIKEN CSRS met succes ethyleen en anisylpropyleen met behulp van een katalysator van zeldzame aardmetalen. Het resulterende binaire copolymeer vertoonde opmerkelijke zelfherstellende eigenschappen tegen beschadiging. De zachte componenten van het copolymeer, afwisselende eenheden van ethyleen en anisylpropyleen, gekoppeld aan harde kristallijne eenheden van ethyleen-ethyleenketens, fungeerden als fysieke verknopingspunten en vormden een in nanofasen gescheiden structuur die cruciaal bleek voor zelfgenezing.

Voortbouwend op dit succes integreerden ze een luminescerende eenheid, styrylpyreen, in een monomeer en vormden vervolgens polymeren die ook anisylpropyleen en ethyleen omvatten. Dit proces leidde tot de synthese, in één enkele stap, van een zelfherstellend materiaal met fluorescentie-eigenschappen.

"Fluorescerende materialen zijn erg nuttig, omdat ze kunnen worden gebruikt voor organische lichtemitterende diodes (OLED's), organische veldeffecttransistors (OFET's) en zonnecellen. Een van de grootste problemen van deze materialen is echter hun korte levensduur tijdens het gebruik. Van ons nieuwe materiaal kan worden verwacht dat het een langere levensduur van de producten en een grotere betrouwbaarheid oplevert", zegt Masayoshi Nishiura, Hou's medewerker van dit onderzoek.

Er was nog een verrassing. Het resulterende copolymeer bleek niet alleen taai te zijn, maar vertoonde ook zelfherstel zonder externe prikkels of energie. De treksterkte is binnen 24 uur volledig hersteld, wat een hoge zelfherstellende snelheid aantoont in vergelijking met binaire copolymeren. Het materiaal kon zichzelf herstellen, zelfs in water, zure en alkalische oplossingen, waardoor het in verschillende omgevingen kan worden gebruikt.

De netwerkstructuur van het copolymeer, die bestaat uit fysieke verknopingspunten gevormd door de styrylpyreeneenheden en kristallijne ethyleen-ethyleen nanodomeinen en zachte segmenten bestaande uit de afwisselende eenheden, vergemakkelijkte het zelfherstel.

Het materiaal vertoonde ook een toegevoegde eigenschap. Het onderzoeksteam slaagde erin om via fotolithografie met succes een tweedimensionaal beeld op de fluorescerende zelfherstellende film over te brengen. Hoewel het beeld onzichtbaar bleef onder natuurlijk licht, werd het herkenbaar onder ultraviolet licht, wat mogelijke toepassingen voor de film als informatieopslagapparaat suggereert. De film behield zijn uitstekende zelfherstellende en elastomere eigenschappen, zelfs bij de beelden.

“Het materiaal dat we synthetiseerden, door middel van een eenstapsreactie, gaf ons de mogelijkheid om de optische en mechanische eigenschappen ervan te controleren door de samenstelling van het monomeer aan te passen. We denken dat het aanzienlijk zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen met een hoog zelfherstellend vermogen. capaciteiten in verschillende praktijkomgevingen", zegt Hou.

Meer informatie: Lin Huang et al, Synthese van taaie en fluorescerende zelfherstellende elastomeren door scandium-gekatalyseerde terpolymerisatie van pyrenylethenylstyreen, ethyleen en anisylpropyleen, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12342

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Aangeboden door RIKEN