Wykorzystanie pełnego potencjału polimerów przewodzących w dziedzinie optoelektroniki
Organiczne polimery przewodzące (ang. conducting organic polymers, COP) mają wiele użytecznych właściwości polimerów organicznych i wykazują przewodność elektryczną jak półprzewodniki, co sprawia, że nadają się do wielu zastosowań optoelektronicznych. Projekt Tuning COPs, wspierany przez działanie „Maria Skłodowska-Curie”, miał na celu zwiększenie potencjału tych materiałów poprzez zmianę ich właściwości przewodzących i optycznych.
Wykorzystanie unikalnego paradoksu
Elektrony i fotony są od siebie wzajemnie zależne. Absorpcja światła (fotonów) może wzbudzić elektrony i podwyższyć ich poziom energetyczny, a gdy elektrony przechodzą na niższy poziom energetyczny, emitowane są fotony. Procesy te są zależne od konfiguracji elektronowych materiałów lub cząsteczek oraz ich składu atomowego. Jednym z polimerów poddanych wnikliwym badaniom jest PEDOT (poli(3,4-etyleno-1,4-dioksytiofen)). PEDOT jest przezroczystym polimerem przewodzącym. To unikalna właściwość – zazwyczaj polimery przewodzące są nieprzezroczyste, ponieważ obecność wolnych elektronów, która umożliwia przewodzenie, sprzyja również absorpcji fotonów. W dostępnej w handlu postaci, w tym popularnego kompozytu z kwasem poli(4-styrenosulfonowym) (PEDOT:PSS), związek ten może wykazywać fotoluminescencję i przewodnictwo elektryczne. Dzięki temu może być wykorzystywany w produkcji wyświetlaczy, folii antystatycznych, przewodów drukowanych, czujników oraz w fotowoltaice. Jednym ze sposobów na zmianę jego właściwości jest dodawanie lub usuwanie elektronów (odpowiednio redukcja lub utlenianie). Clara Viñas i Teixidor, opiekunka projektu i profesor Instytutu Inżynierii Materiałowej w Barcelonie, wyjaśnia: „Fotoluminescencja i przewodność elektryczna materiałów na bazie PEDOT zależą wyłącznie od metody osadzania fizycznego i nie ma możliwości ich zmiany. Staraliśmy się wykorzystać potencjał reakcji redoks do dostosowania właściwości zarówno polimeru, jak i domieszek”.
Odkrywanie nowych właściwości
Badania przeprowadzone przez prof. Viñas dały imponujące wyniki. Uczona opracowała prosty i skuteczny sposób na dostosowanie właściwości COP poprzez sparowanie kationów związków z anionami domieszek. To decyduje o stechiometrii cząsteczki, która z kolei ma wpływ na właściwości elektrochemiczne kompozytu. Wyniki tych badań stały się tematem wydania czasopisma „Chemistry – A European Journal”. Badając planowane zastosowanie metalokarboranów jako możliwych do dopasowania domieszek anionowych, prof. Viñas odkryła również ich właściwości katalityczne dla fotoredoks i termoelektryczne. Eksperymentalne i obliczeniowe badania metalokarboranów zaowocowały publikacją prac dotyczących fotoluminescencji dwuwartościowych i trójwartościowych metalokarboranów.
Torowanie drogi dla nowych zastosowań
„Ekscytujące było odkrycie, że po tylu latach badań nad COP coś tak banalnego jak kation towarzyszący – zwykle uważany za pozostający bez wpływu na właściwości związku oraz będący w jasno określonym i przewidywalnym stanie utleniania – jest w stanie zmodyfikować stechiometrię polimeru przewodzącego i zmienić jego właściwości fizykochemiczne”, mówi Viñas. Co ważne, zmiana właściwości fotoluminescencyjnych i przewodności nie jest możliwa przy użyciu innych anionów domieszkowych na danych polimerach i powinna stymulować postępy w zastosowaniach obejmujących diody elektroluminescencyjne, materiały elektroluminescencyjne i organiczne ogniwa słoneczne. Wykorzystanie możliwych właściwości termoelektrycznych tych materiałów mogłoby również prowadzić do ich zastosowania w urządzeniach służących do odzyskiwania ciepła. Viñas podsumowuje: „Kolejnym krokiem jest znalezienie sposobu na wyprodukowanie tych samych materiałów w sposób przetwarzalny. Jest to nadal słabe ogniwo zrównoważonego rozwoju tych niezwykle atrakcyjnych materiałów. Pokonanie tej bariery będzie oznaczać ogromne szanse na komercjalizację”. Nawiązanie współpracy z partnerami przemysłowymi mogłoby zapewnić Europie jasną przyszłość w zakresie możliwości dostosowania COP do wielu nowatorskich zastosowań.
Słowa kluczowe
zmiana właściwości COP, fotoluminescencja, przewodnictwo, organiczne polimery przewodzące (COP), elektrony, poli(3,4-etyleno-1,4-dioksytiofen (PEDOT), fotony, domieszki, aniony, metalokarborany, fotoredoks, termoelektryczne
