Een team onderzoekers van het Instituto de Carboquímica van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC) heeft een opmerkelijke stap voorwaarts gezet in de ontwikkeling van efficiënte en duurzame elektronische apparaten. Ze hebben een bijzondere combinatie van twee buitengewone nanomaterialen gevonden die met succes resulteert in een nieuw hybride product dat in staat is om licht sneller in elektriciteit om te zetten, en omgekeerd, dan conventionele materialen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Chemistry of Materials .

Dit nieuwe materiaal bestaat uit een eendimensionaal geleidend polymeer genaamd polythiofeen, op ingenieuze wijze geïntegreerd met een tweedimensionaal derivaat van grafeen, bekend als grafeenoxide. De unieke kenmerken van dit hybride materiaal zijn veelbelovend voor het verbeteren van de efficiëntie van opto-elektronische apparaten, zoals schermen van slimme apparaten en zonnepanelen.

Dr. Wolfgang Maser, de hoofdonderzoeker van het project, legt uit:"Door onze synthesestrategie neemt het polymeer een bepaalde structuur aan als in water dispergeerbare nanodeeltjes, wat een intiem contact met de grafeenoxidevellen bevordert." Dit contact leidt op zijn beurt tot veranderingen in het elektrisch gedrag binnen het polymeer, waardoor de elektrische efficiëntie aanzienlijk toeneemt.

Dr. Ana Benito, mede-hoofdonderzoeker van het project, en samen met Dr. Maser van de Carbon Nanostructures and Nanotechnology-groep (G-CNN) leiding gevend, zegt:"We waren vooral geïntrigeerd door de gunstige optische, elektrische en elektrochrome eigenschappen van polythiofeen Hoewel het elektriciteit opwekte bij verlichting en licht uitstraalde als het van elektriciteit werd voorzien, reageerde het traag."

"Na uitgebreid onderzoek te hebben gedaan naar grafeenoxide - een nanomateriaal afgeleid van grafeen dat unieke eigenschappen heeft, dispergeerbaar is in water en gemakkelijk te produceren is - stelde het team de hypothese op dat het combineren van de twee materialen de inherente elektronische beperkingen van het polymeer zou overwinnen", legt Dr. Maser uit. .

"Ons oorspronkelijke concept was om het polythiofeen te modificeren en er kleine nanobolletjes van te maken, nanodeeltjes genaamd, die gemakkelijk gecombineerd konden worden met grafeenoxide. Bovendien stelde deze methodologie ons in staat om in waterige dispersies te werken, iets dat uiterst uitdagend is bij dit soort polymeren", benadrukt hij. Dr. Benito.

"Aanvankelijk hebben we geen veranderingen in de elektronische eigenschappen van het materiaal waargenomen. Toen we het echter diepgaand analyseerden, ontdekten we dat de nieuwe materialen ongebruikelijke snelle elektronentransportfenomenen mogelijk maakten, zo snel dat we het aanvankelijk niet konden volgen met de standaardtechnieken."

Samenwerking met onderzoekers van de universiteiten van Murcia, Cartagena en Zaragoza was van cruciaal belang om de relevantie van hun bevindingen te bevestigen.

Een technologische revolutie

Deze baanbrekende ontdekking heeft aanzienlijke gevolgen voor een breed scala aan technologische toepassingen, waaronder de fabricage van slimme flexibele schermen, draagbare elektronische apparaten of zeer efficiënt elektronisch papier.

Eduardo Colom, de hoofdauteur van het artikel die de hybride materialen onderzoekt in zijn Ph.D. In zijn proefschrift legt hij uit:"Apparaten die met dit nieuwe materiaal zijn gebouwd, zouden een superieure efficiëntie, een lager gewicht, een grotere flexibiliteit en een grotere duurzaamheid vertonen, allemaal dankzij het gebruik van milieuvriendelijke materialen met uitstekende elektrische eigenschappen."

Bovendien zou deze doorbraak ook de efficiëntie van organische zonnecellen kunnen vergroten door op een efficiëntere en kosteneffectievere manier een grotere hoeveelheid licht van de zon op te vangen.

De auteurs wijzen er verder op:"We kunnen mogelijk energetisch efficiëntere elektronische apparaten maken die minder stroom verbruiken en tegelijkertijd sneller reageren. Deze bevindingen duwen ons richting een toekomst gebaseerd op een meer geavanceerde en duurzame technologie."

Een engagement voor duurzaamheid

De synthese van dit nieuwe hybride materiaal vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van duurzaamheid, omdat het afhankelijk is van water als oplosmiddel, waardoor het gebruik van giftige chemicaliën wordt vermeden die gewoonlijk in de huidige methodologieën worden gebruikt. Dit biedt het potentieel om de impact op het milieu die gepaard gaat met de productie van elektronische apparaten te verminderen.

Bovendien zou de gebruikte synthesestrategie kunnen worden uitgebreid naar andere geleidende polymeren, waardoor belangrijke implicaties voor technologische toepassingen kunnen worden bevorderd. Deze bevinding vertegenwoordigt een belangrijke prestatie in het duurzame ontwerp van nieuwe architecturen voor hoogwaardige opto-elektronische apparaten.

Het team van onderzoekers van de G-CNN-groep heeft zich de afgelopen tijd geconcentreerd op het creëren van zeer functionele en duurzame nanomaterialen. Deze veelzijdige nanomaterialen vinden toepassing in een breed scala aan toepassingen, variërend van de opwekking van schone energie, zoals groene waterstof, tot katalyse, energieopslag of zelfs behoud van erfgoed, de ontwikkeling van (bio)sensoren en de behandeling van ziekten.

Meer informatie: Eduardo Colom et al, Grafeenoxide:sleutel tot efficiënte ladingsextractie en onderdrukking van polaronisch transport in hybriden met poly (3-hexylthiofeen) nanodeeltjes, Chemie van materialen (2023). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c00008

Journaalinformatie: Chemie van materialen

Geleverd door de Spaanse Nationale Onderzoeksraad