Polymerer med högt brytningsindex (HRIP) är avgörande för tillverkning av moderna optoelektroniska enheter, inklusive displayer och ljussensorer. Högpresterande HRIP är dock dyra och miljövänliga.
Nyligen utvecklade ett forskarlag från Waseda University en ny familj av HRIPs som kallas poly(tiourea)s. Tack vare unika intermolekylära interaktioner kan dessa föreningar enkelt bearbetas till lågkostnadstransparenta HRIPs för optoelektroniska applikationer, samt degraderas och återvinnas genom ett billigt protokoll, vilket gör dem till ett hållbart alternativ.
Optoelektroniska enheter har hittat sin väg in i många aspekter av vårt dagliga liv, från OLED-skärmar till fotodetektorer, säkerhetssystem och miljöövervakning. I alla applikationer använder dessa enheter polymerer med högt brytningsindex (HRIP) för att kontrollera ljuset.
I allmänhet möjliggör de optiska egenskaperna hos transparenta HRIP effektiv ljustransmission och manipulation, vilket gör att optoelektronikenheter kan styra och kontrollera ljusflödet för att förbättra deras prestanda.
Det finns dock inga billiga alternativ för HRIPs som kan garantera bra optisk prestanda samtidigt som de är transparenta och miljövänliga. Detta beror på att det för de flesta material finns en inneboende kompromiss mellan deras brytningsindex, transparens och bearbetbarhet.
En forskargrupp ledd av professor Kenichi Oyaizu från Institutionen för tillämpad kemi vid Waseda University, Japan, hittade ett sätt att kringgå detta problem. I deras artikel publicerad i Advanced Functional Materials , rapporterar forskarna en ny typ av aromatisk HRIP vars egenskaper gör den till en perfekt kandidat för moderna optoelektroniska tillämpningar.
Den här artikeln var medförfattare av Seigo Watanabe från Research Institute of Science and Engineering, Waseda University, samt Luca M. Cavinato och Rubén D. Costa, båda från ordföranden för Biogenic Functional Materials, Tekniska universitetet i München, Tyskland.
Den föreslagna familjen av föreningar kallas poly(tiourea)s (PTU), där varje upprepande enhet av polymeren (monomeren) består av en enkel aromatisk ring kopplad till en tioureagrupp (H2 N−C(=S)−NH2 ). Dessa PTU:er har en exceptionell egenskap:tioureaenheterna i olika polymersträngar attraherar varandra via vätebindningar, vilket är en typ av intermolekylär interaktion.
Enkelt uttryckt, svavel(S)-atomerna i en tiokarbamidgrupp attraherar väte(H)-atomerna kopplade till kväve (N) i en annan tiokarbamidgrupp på grund av lokala skillnader i elektrisk laddning.
Dessa så kallade "polariserbara vätebindningar" gör att PTU-materialet packas tätt, vilket skapar täta nätverk. Eftersom polymeren är amorf och inte har någon kristallin ordning är den mycket transparent. Samtidigt fungerar de aromatiska ringarna som distanser, ger viss styvhet och mekanisk styrka och bidrar till ett högre brytningsindex.
Forskargruppen analyserade noggrant egenskaperna hos dessa PTU:er och visade deras potential genom att införliva dem i experimentella optoelektroniska komponenter, vilket gav anmärkningsvärda resultat. Mer specifikt visade de föreslagna PTU:erna en hög transparens på över 92 % och ett exceptionellt brytningsindex på 1,81.
Laget undersökte också om PTU lätt kunde brytas ned till enklare användbara molekyler.
"På grund av den senaste tidens miljöproblem orsakade av plastavfall, blir nedbrytningen av polymerer till monomerer en viktig funktion som leder till hållbar återvinning. Så vitt vi vet har det gjorts extremt få försök att förmedla nedbrytbarhet till HRIPs, och systematiska konstruktioner för nedbrytbara produkter. HRIPs har inte rapporterats trots sådana globala behov", säger Prof. Oyaizu.
Deras ansträngningar ledde till ett enkelt nedbrytningsprotokoll som involverar milda uppvärmningsförhållanden och blandning med diaminer, vilket är tillräckligt för att bryta upp PTU:er i mindre bitar som kan bearbetas eller återanvändas för kemisk syntes av nya PTU:er.
Sammantaget är resultaten av denna studie mycket lovande för framtiden för optoelektroniska material och anordningar i ett större sammanhang av hållbarhet.
"Baserat på dessa fynd skulle miljövänliga optiska material vara lätta att förbereda med en enkel process, vilket möjliggör hållbar optoelektronik som billiga ljusa skärmar, bärbara belysningsenheter och tunnare, lättare och nedbrytbara polymerglasögon", avslutar Prof. Oyaizu.
"Jag tror att detta är det första steget mot en heltäckande design av nästa generations optoelektroniska polymerer som kan ge hög ljusextraktionseffektivitet utan att skada miljön."
Mer information: Seigo Watanabe et al, Polarizable H-Bond Concept in Aromatic Poly(thiourea)s:Oöverträffat högt brytningsindex, transmittans och nedbrytbarhet vid Force to Enhance Lighting Efficiency, Avancerade funktionella material (2024). DOI:10.1002/adfm.202404433
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av Waseda University
