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Intervista

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Nuove opportunità per i semiconduttori organici

Neil Treat, coordinatore del progetto CONDPOLYBLENDORD, parla dei risultati ottenuti riguardo all’alto potenziale di innovazione dei semiconduttori organici.

Dalle etichette RFID (“identificazione a radio frequenza”) agli schermi OLED e le cellule fotovoltaiche, l’alto potenziale dei semiconduttori organici è ampiamente riconosciuto. Un progetto Marie Curie si è proposto di portare il potenziale di innovazione al livello successivo usando additivi agenti di nucleazione per controllare meglio le proprietà fisiche di questi sistemi. I polimeri semiconduttori organici sono spesso considerati materiali ad alto potenziale dai settori industriali più innovativi dell’UE. Grazie alle loro eccellenti prestazioni in termini di conduttività elettrica, stabilità termica, compatibilità con sostrati meccanicamente flessibili, produzione a basso costo e facile integrazione con funzionalità chimiche e biologiche, questi materiali ultimamente stanno avendo molto successo. Oggi, sono conosciuti principalmente per le loro promettenti applicazioni nello sviluppo di celle solari migliorate e schermi flessibili. Per portare questi materiali al livello superiore e affrontare meglio la concorrenza internazionale, però, è necessario un migliore controllo della loro organizzazione fisica. Attualmente è impossibile, per esempio, controllare la cristallizzazione anche della più semplice “plastica” (PE), che altrimenti sarebbe un materiale molto migliore rispetto al fragile ma comunemente usato “polistirene" (PS). Tale controllo permetterebbe all’industria di cambiare a piacimento l’aspetto fisico di un PE potenziato, con una grande forza meccanica, a costi di fabbricazione bassi. Con in mente questo obiettivo, il progetto CONDPOLYBLENDORD (“Controlling the Order of Functional Polymers and their Corresponding Blends”), finanziato dall’UE, ha usato additivi agenti di nucleazione per controllare l’ordinamento del sistema in polimeri conduttori e nelle corrispondenti miscele. Benché per decenni siano state usate piccole quantità di additivi per manipolare la struttura allo stato solido e le proprietà dei materiali, la loro applicazione ai polimeri semiconduttori organici aprirebbe la via a molte innovazioni in questo settore. CONDPOLYBLENDORD si è concluso alla fine di febbraio. In questa intervista esclusiva con research*eu risultati, Neil Treat ci parla dei risultati ottenuti. Lei ha affermato di cercare il santo graal della comunità dei polimeri. Cosa intende esattamente? CONDPOLYBLENDORD usa il concetto ben noto di additivi per affrontare una delle grandi sfide dei semiconduttori organici – controllare il loro ordinamento fisico. Con questo progetto, volevamo collegare l’ordine molecolare e la disposizione conformazionale della materia coniugata organica con fenomeni elettronici, magnetici e ottici e mirare allo sviluppo di una conoscenza simile al campo meccanico del polimero, in cui tale conoscenza ha portato allo sviluppo di fibre polimeriche a forza ultra alta, da usare in attrezzature anti proiettili e in eccezionali strumenti medici. Cosa l’ha portata a fare ricerca in questo settore? Mi sono interessato ai polimeri durante il mio primo anno di università. Ricordo di aver realizzato che il sistema polimerico oggetto di ricerca nel mio laboratorio sarebbe stato usato per migliorare prodotti farmaceutici in grado di salvare vite. Da allora, non ho mai voluto che la mia ricerca fosse scollegata o isolata, mi sentivo più ispirato quando mi trovato in prima linea nel mio settore di competenze, impegnato ad analizzare, mettere in dubbio e migliorare la tecnologia. Il mio obiettivo come ricercatore diventò applicare la scienza che è la mia passione ai problemi e alle esigenze delle persone. Questa presa di coscienza mi ha portato a svolgere un dottorato di ricerca presso l’Università della California Santa Barbara, durante il quale ho fatto ricerca sulle celle solari che usavano i polimeri come componenti attivi. Questi sistemi hanno le potenzialità per una produzione economica su ampie zone. Durante il mio incarico, sono stato invitato a passare due mesi nel gruppo della prof.ssa Natalie Stingelin all’Imperial College di Londra. Natalie e io cominciammo a esaminare un’idea ancora inesplorata da parte della comunità dell’elettronica organica: come usare agenti di nucleazione per influenzare la struttura e le proprietà elettroniche. Fortunatamente, abbiamo scoperto che questo approccio era allo stesso tempo semplice e potente e che poteva avere un impatto sulla società permettendo una produzione più economica di fonti di energia rinnovabile. In seguito a questa esperienza, cominciai a cercare opportunità di sviluppare ulteriormente questa nuova tecnologia nel campo dell’elettronica organica. In che modo il suo approccio differisce dall’attuale uso di additivi? L’approccio proposto da CONDPOLYBLENDORD applica una strategia ampiamente sfruttata nei sistemi polimerici classici ai nuovi sistemi di materiali che sono semiconduttori organici. Questo approccio comporta l’aggiunta di additivi nella zona della superficie alta, che aumentano il volume dei siti di nucleazione all’interno del materiale ospite e, di conseguenza, controllano le dimensioni del crisallita di quest’ultimo. Così, grazie alla loro semplicità e versatilità, i nostri risultati hanno cominciato a catalizzare altri studi sui semiconduttori organici svolti da ingegneri dei dispositivi (per es. sviluppo di protocolli di lavorazione) e fisici (per es. capire i rapporti microstruttura/carica di trasporto). Altre potenziali applicazioni in questo settore comprendono l’uso di agenti di nucleazione per controllare le morfologie di fase degli strati attivi nelle celle fotovoltaiche organiche, nelle quali si crede che una buona distribuzione dei componenti attivi apporti dei benefici. In principio, gli agenti di nucleazione controllano le dimensioni dei campi del cristallino in tali materiali, il che permette di sfruttare questi additivi per la produzione di strutture fotoniche e anche studi più fondamentali come il chiarimento dell’influenza dei bordi di grano sul trasporto della carica nei semiconduttori organici. Quanto è vicino il completamento del progetto? CONDPOLYBLENDORD si è concluso alla fine di febbraio e abbiamo raggiunto gli obiettivi che erano stati fissati all’inizio del progetto. I risultati del progetto saranno ampiamente applicabili ad altri sistemi funzionali (per es. ferroelettrica, organica magnetica, nanomateriali, ecc.) e speriamo che il nostro lavoro stimolerà altri gruppi a seguire questa strategia. Che tipo di opportunità aprono i vostri nuovi agenti di nucleazione per l’industria europea? CONDPOLYBLENDORD ha sottolineato veramente l’importanza di far convergere la ricerca, la tecnologia e l’innovazione per aiutare ulteriormente la trasformazione dell’industria dei polimeri da materia prima verso prodotti che cambiano la vita integrandoli allo stesso tempo attivamente nel settore del FV nell’UE. Ho voluto contribuire alle conoscenze fondamentali dei polimeri semiconduttori e delle loro miscele corrispondenti controllando la morfologia all’interno di questi sistemi mediante l’uso di agenti di nucleazione – un approccio che non era mai stato esplorato e utilizzato nei polimeri semiconduttori e nelle loro miscele corrispondenti prima. Controllare la nano-morfologia dei polimeri conduttori e delle loro miscele è essenziale per permettere l’ulteriore sviluppo nel campo dell’elettronica organica. In questo modo CONDPOLYBLENDORD è stata ideata per dare un contributo significativo alla ricerca europea nel campo dell’elettronica organica e al settore industriale facendo avanzare le conoscenze su come controllare la morfologia delle miscele polimero-fullerene. Ho cercato anche di sfruttare le ricche competenze interdisciplinari nel campo della chimica, dell’ingegneria e della fisica, il che mi ha permesso di capire meglio i requisiti per la nucleazione e mi ha permesso di progettare nuovi materiali che, alla fine, potrebbero portare allo sviluppo di nuove opportunità che rendono possibili prodotti specializzati semplici a grande superficie e, in questo modo, rafforzeranno la tradizionale posizione dell’Europa nella produzione all’avanguardia. Quando prevede che la vostra ricerca avrà un impatto sul mercato? I prodotti che comprendono semiconduttori organici come i diodi organici a emissione di luce (OLED) sono già in uso nella nostra vita quotidiana, per esempio nei dispositivi mobili. CONDPOLYBLENDORD si occupa in particolare degli aspetti fondamentali di come controllare la cristallizzazione di questa categoria di materiali funzionali. Crediamo che i nostri risultati contribuiranno a facilitare ulteriormente gli sviluppi della tecnologia. Speriamo che gli agenti di nucleazione migliorino la fattibilità commerciale di altri sistemi di materiali risolvendo questioni come la riproducibilità di lotto in lotto. Quali saranno i prossimi passi del progetto e sono previste attività di follow-up? Tramite il Centro di elettronica plastica dell’Imperial College di Londra, continueremo a usare agenti di nucleizzazione come strategia per controllare la cristallizzazione e la formazione della microstruttura nell’ambito di tecnologie emergenti come le celle fotovoltaiche alla perovskite.

Paesi

Regno Unito

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