Aiutare i COP a sfruttare appieno il loro potenziale al ritmo dell’optoelettronica
I polimeri conduttori organici (COP, Conducting Organic Polymers) possiedono molte delle proprietà utili dei polimeri organici e presentano al contempo conducibilità elettrica analoga ai semiconduttori, il che li rende particolarmente adatti a una vasta gamma di applicazioni optoelettroniche. Con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, il progetto Tuning COPs si prefigge di rafforzare il potenziale di questi materiali con sistemi mirati a modularne le proprietà conduttive e ottiche.
Sfruttare un paradosso unico
Elettroni e fotoni sono interdipendenti. L’assorbimento della luce (fotoni) può eccitare gli elettroni a livelli di energia più elevati mentre, quando gli elettroni si rilassano a livelli di energia più bassa, vengono spesso emessi fotoni. Generalmente, questo processo è ben definito dalle configurazioni elettroniche dei materiali o delle molecole e dei loro atomi. Il poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT) è un COP ampiamente studiato. Diversamente dalla maggior parte dei conduttori, che sono opachi proprio perché gli elettroni liberi che li rendono buoni conduttori favoriscono anche l’assorbimento dei fotoni, il PEDOT è un conduttore trasparente. Nelle sue forme disponibili in commercio, tra cui quelle drogate con il polimero polistirene sulfonato (PEDOT:PSS), il PEDOT può mostrare fotoluminescenza e conduttività elettrica, il che lo rende utile nelle applicazioni tra cui gli schermi, le pellicole antistatiche, il fotovoltaico, il cablaggio stampato e i sensori. Un modo per cambiare queste proprietà è l’aggiunta o la rimozione di elettroni (riduzione od ossidazione, rispettivamente). Clara Viñas i Teixidor, professoressa presso l’Istituto di scienza dei materiali di Barcellona che supervisiona il progetto, spiega: «La fotoluminescenza e la conducibilità elettrica dei materiali a base di PEDOT dipendono solo dai metodi di deposizione fisici e non possono essere modulate. Abbiamo cercato di avvalerci dell’applicazione di un potenziale di ossidoriduzione per modulare sia il polimero che l’agente di drogaggio».
Non lasciare nulla di intentato
La ricerca della Viñas ha prodotto risultati straordinari. La professoressa ha infatti dimostrato un modo semplice ed efficiente per ottenere la messa a punto focalizzandosi sui cationi di accompagnamento degli anioni di drogaggio, che stabiliscono le stechiometrie dei COP che, a loro volta, influenzano le proprietà elettrochimiche. Questo risultato è stato citato sulla copertina di «Chemistry – A European Journal». Mentre studiava l’uso previsto dei metallacarborani come anioni di drogaggio modulabili, la Viñas ne ha anche scoperto in modo fortuito la proprietà catalitica foto-ossidoriduttiva e l’evidente capacità termoelettrica. Gli studi sperimentali e computazionali dei metallacarborani hanno portato alla pubblicazione di articoli sulla fotoluminescenza nei metallacarborani bivalenti e trivalenti.
Spianare la strada ad applicazioni future
«È stato eccitante, dopo così tanti anni di ricerca sui COP, scoprire che qualcosa di così banale come il catione di accompagnamento, considerato di solito innocuo o dotato di uno stato di ossidazione chiaro e prevedibile, fosse capace di modificare la stechiometria del polimero conduttore e di alterare le sue proprietà fisico-chimiche», afferma la Viñas. Ma soprattutto, questa capacità di modulare le proprietà di fotoluminescenza e conducibilità non è possibile in quegli stessi polimeri con altri anioni di drogaggio e dovrebbe stimolare dei progressi nelle applicazioni tra cui, solo per citarne alcune, i diodi a emissione luminosa, i materiali elettroluminescenti e le celle solari organiche. Inoltre, lo sfruttamento delle possibili proprietà termoelettriche di questi materiali potrebbe incentivarne l’utilizzo nei dispositivi di recupero del calore. La Viñas conclude: «I passaggi successivi prevedono la scoperta dei modi per produrre gli stessi materiali con una modalità elaborabile. Ciò rappresentava e rappresenta tuttora l’anello debole per lo sviluppo sostenibile di questi materiali decisamente interessanti. Il superamento di questo ostacolo aprirà la porta a enormi opportunità di commercializzazione». Instaurare collaborazioni con i partner industriali potrebbe garantire un brillante futuro al primato europeo nel settore dei COP modulabili per numerose applicazioni d’avanguardia.
Parole chiave
COP modulabili, fotoluminescenza, conducibilità, polimeri conduttori organici (COP), elettroni, poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT), fotoni, anioni di drogaggio, metallacarborani, foto-ossidoriduzione, termoelettrico
