Les polymères techniques sont prometteurs pour une utilisation dans les technologies de nouvelle génération telles que les dispositifs de collecte de lumière et les composants électroniques implantables qui interagissent avec le système nerveux, mais la création de polymères présentant la bonne combinaison de propriétés chimiques, physiques et électroniques constitue un défi de taille. De nouvelles recherches offrent un aperçu de la manière dont les polymères peuvent être conçus pour affiner leurs propriétés électroniques afin de répondre aux exigences de ces applications spécifiques.
L'ouvrage paraît dans la revue Matière.
« L'électronique à base de silicium existe depuis des décennies et nous comprenons parfaitement les propriétés électroniques des matériaux utilisés dans ces technologies », déclare Aram Amassian, co-auteur de l'article de revue sur ces travaux et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université d'État de Caroline du Nord.
« Mais nous essayons maintenant de développer une nouvelle génération d'électronique utilisant des polymères dans des domaines tels que la bioélectronique – et nous ne comprenons pas encore en détail comment la manière dont nous traitons et concevons les polymères influence leurs propriétés électroniques. Cela limite notre capacité à affiner les propriétés électroniques des polymères pour répondre aux exigences d'applications spécifiques. «
Pour fabriquer des matériaux polymères utiles sur le plan électronique, vous pouvez créer des polymères conjugués capables de transporter une charge. Mais pour contrôler la quantité de charge pouvant être transportée par le polymère, il faut le « doper » en incorporant une deuxième molécule dans le polymère afin de modifier les propriétés électroniques du matériau.
« Cependant, ce n'est pas aussi simple que d'ajouter davantage d'agents dopants si vous souhaitez augmenter la quantité de charge que le polymère peut supporter », explique Amassian. « Les propriétés électroniques sont affectées par une série de variables et souffrent lorsque trop de dopant est ajouté. En fait, au début de cette étude, nous ne savions même pas exactement quelles variables étaient pertinentes et lesquelles ne l'étaient pas. En utilisant des techniques expérimentales conventionnelles, il faudrait une éternité pour tout comprendre. «
À cette fin, les chercheurs ont créé un système utilisant des algorithmes basés sur l'intelligence artificielle (IA) et un traitement à haut débit pour maximiser l'efficacité expérimentale afin de comprendre comment le traitement, la structure et les propriétés électroniques d'un polymère dopé sont liés les uns aux autres. Les algorithmes ont été développés par l'auteur co-correspondant Baskar Ganapathysubramanian, professeur d'ingénierie Joseph C. et Elizabeth A. Anderlik à l'Iowa State University.
Le système « DopeBot » avait pour mission de produire la gamme de conductivités la plus large possible en utilisant un polymère appelé pBTTT et un agent dopant appelé F4TCNQ. DopeBot a ensuite mené 32 expériences dans lesquelles le pBTTT était dopé avec le F4TCNQ. Les paramètres pouvant varier comprenaient le solvant utilisé dans le processus de dopage et la température du processus de dopage.
Les résultats de ces réactions ont été caractérisés manuellement et ces données de caractérisation ont été réinjectées dans DopeBot, qui a utilisé ces résultats pour déterminer quelles devraient être les 32 prochaines expériences. Cela a été fait quatre fois et répété trois fois avec des paramètres différents, ce qui signifie que DopeBot a mené 224 expériences.
Ces expériences ont fourni une énorme quantité d'informations : des données sur les paramètres de l'ensemble des 224 expériences ; des données sur la structure moléculaire et physique du polymère dopé résultant de chaque expérience ; et des données sur les propriétés électroniques, optiques et structurelles des polymères dopés.
Les chercheurs ont ensuite utilisé des techniques analytiques avancées pour déterminer les relations entre les paramètres de traitement, la structure et les propriétés électroniques.
« Mais cette analyse ne nous a donné que des corrélations », explique Amassian. « Pour passer de la corrélation à la causalité, nous avons plongé en profondeur dans la science qui sous-tend ce qui s'est passé dans ces expériences. »
Amassian a travaillé avec le co-auteur Raja Ghosh, professeur adjoint de chimie à NC State, qui a utilisé des calculs avancés de chimie quantique pour révéler le lien entre l'emplacement des dopants dans le polymère et les propriétés électroniques.
« Ce travail met en lumière les caractéristiques chimiques et physiques qui jouent un rôle clé pour donner aux polymères techniques les propriétés électroniques que nous recherchons, ce qui est crucial pour éclairer la manière dont nous concevons des polymères pour ces applications », explique Amassian.
« Nous nous appuyons déjà sur ces travaux pour développer de nouveaux matériaux destinés à des applications bioélectroniques », explique Amassian. « Ce travail est réalisé avec des collaborateurs de NC State, de l'Université de Buffalo et de l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne. Notre objectif est de créer des matériaux bioélectroniques organiques prêts à être adoptés sur le marché dans le domaine des soins de santé et au-delà, et pas seulement pour faire progresser notre compréhension de la science fondamentale impliquée. »
Le premier auteur de l'article est Jacob Mauthe, chercheur postdoctoral à NC State. Les deuxième et troisième auteurs de l'article sont Ankush Kumar Mishra et Abhradeep Sarkar, Ph.D. étudiants de l'Iowa State University et de NC State, respectivement. D'autres co-auteurs de l'article proviennent de NC State, de l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill et de l'Université de Washington.
