Un matériau fluorescent auto-réparateur révolutionnaire développé par les chercheurs du RIKEN CSRS offre un potentiel pour des cellules solaires organiques plus durables et de larges applications, alignées sur les objectifs de consommation et de production durables. (Concept de l'artiste).
Une équipe de recherche du Centre RIKEN pour la science des ressources durables (CSRS) a réussi à développer un matériau auto-cicatrisant qui est également capable d'émettre une grande quantité de fluorescence lorsqu'il absorbe la lumière. Détaillé dans le Journal de l'American Chemical Societyce développement ouvre la voie à l'invention de nouveaux matériaux comme les cellules solaires organiques, offrant une durabilité accrue par rapport aux versions existantes.
En 2019, Zhaomin Hou et son équipe du RIKEN CSRS ont copolymérisé avec succès de l'éthylène et de l'anisylpropylène à l'aide d'un catalyseur de terres rares. Le copolymère binaire résultant présentait des propriétés d’auto-guérison remarquables contre les dommages. Les composants mous du copolymère, alternant des unités d'éthylène et d'anisylpropylène, couplés à des unités cristallines dures de chaînes éthylène-éthylène, ont agi comme des points de réticulation physiques, formant une structure à phases nanométriques séparées qui s'est avérée cruciale pour l'auto-guérison.
Propriétés de fluorescence et d'auto-guérison du film de terpolymère imprimé en forme de fleur composé d'éthylène, d'anisylpropylène et de styrène substitué par pyrénylthényle. Crédit : RIKEN
Forts de ce succès, ils ont incorporé une unité luminescente, le styrylpyrène, dans un monomère, puis ont formé des polymères comprenant également de l'anisylpropylène et de l'éthylène. Ce procédé a conduit à la synthèse, en une seule étape, d'un matériau auto-cicatrisant présentant des caractéristiques de fluorescence.
« Les matériaux fluorescents sont très utiles, car ils peuvent être utilisés pour les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les transistors à effet de champ organiques (OFET) et les cellules solaires. L’un des principaux problèmes de ces matériaux réside cependant dans leur courte durée de vie lors de leur utilisation. Notre nouveau matériau devrait permettre une durée de vie plus longue des produits et une fiabilité accrue », déclare Masayoshi Nishiura, collaborateur de Hou pour cette étude.
Propriétés et applications améliorées
Il y eut une surprise supplémentaire. Le copolymère résultant s’est non seulement révélé résistant, mais a également montré une auto-guérison sans stimuli ni énergie externes. Sa résistance à la traction s'est entièrement rétablie en 24 heures, démontrant une vitesse d'auto-guérison élevée par rapport aux copolymères binaires. Le matériau était capable de s'auto-réparer même dans des solutions aqueuses, acides et alcalines, ce qui lui confère des utilisations potentielles dans une variété d'environnements.
La structure du réseau du copolymère, qui implique des points de réticulation physiques formés par les unités styrylpyrène et les nanodomaines cristallins d'éthylène-éthylène et les segments mous composés des unités alternées, a facilité l'auto-réparation.
Le matériau présentait également une propriété supplémentaire. L’équipe de recherche a réussi à transférer une image bidimensionnelle sur le film fluorescent auto-cicatrisant grâce à la photolithographie. Bien que l’image soit restée invisible à la lumière naturelle, elle est devenue reconnaissable sous la lumière ultraviolette, suggérant des applications potentielles pour le film en tant que dispositif de stockage d’informations. Le film a conservé ses excellentes propriétés auto-cicatrisantes et élastomères même avec les images.
« Le matériau que nous avons synthétisé, grâce à une réaction en une seule étape, nous a donné la possibilité de contrôler ses propriétés optiques et mécaniques en ajustant la composition du monomère. Nous pensons que cela pourrait contribuer de manière significative au développement de nouveaux matériaux fonctionnels dotés de capacités d’auto-guérison élevées dans divers environnements pratiques », explique Hou. Cette recherche s'aligne sur les objectifs de développement durable (ODD) des Nations Unies, contribuant particulièrement à « l'objectif 12 : Garantir des modes de consommation et de production durables ».
