Les chercheurs progressent vers un nouveau nanomatériau respectueux de l'environnement qui pourrait révolutionner les dispositifs électroniques.

20 juillet 2023

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par le Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en Espagne

Une équipe de chercheurs de l'Instituto de Carboquímica du Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en Espagne a réalisé une avancée remarquable dans le développement de dispositifs électroniques efficaces et durables. Ils ont trouvé une combinaison spéciale de deux nanomatériaux extraordinaires qui résulte avec succès en un nouveau produit hybride capable de convertir la lumière en électricité, et vice-versa, plus rapidement que les matériaux conventionnels.

La recherche est publiée dans le journal Chemistry of Materials.

Ce nouveau matériau est constitué d'un polymère conducteur unidimensionnel appelé polythiophène, ingénieusement intégré avec un dérivé bidimensionnel du graphène connu sous le nom d'oxyde de graphène. Les caractéristiques uniques de ce matériau hybride offrent une promesse incroyable pour améliorer l'efficacité des dispositifs optoélectroniques, tels que les écrans des appareils intelligents et les panneaux solaires, entre autres.

Dr Wolfgang Maser, le chercheur principal du projet, explique : "Grâce à notre stratégie de synthèse, le polymère adopte une structure particulière sous forme de nanoparticules dispersibles dans l'eau, ce qui favorise un contact intime avec les feuilles d'oxyde de graphène." Ce contact conduit à des modifications du comportement électrique dans le polymère, augmentant significativement son rendement électrique.

Dr Ana Benito, co-chercheuse principale du projet, et travaillant en collaboration avec Dr Maser du groupe Carbon Nanostructures and Nanotechnology (G-CNN), déclare : "Nous avons été particulièrement intrigués par les propriétés avantageuses optiques, électriques et électrochromiques du polythiophène. Bien qu'il produisait de l'électricité lorsqu'il était éclairé, et émettait de la lumière lorsqu'il était alimenté en électricité, sa réponse était lente."

"Ayant étudié en profondeur l'oxyde de graphène, un nanomatériau dérivé du graphène qui possède des propriétés uniques, est dispersible dans l'eau et facile à produire, l'équipe a émis l'hypothèse que la combinaison des deux matériaux permettrait de surmonter les limitations électroniques inhérentes au polymère", souligne Dr Maser.

"Notre concept initial était de modifier le polythiophène, en le transformant en de petites nanosphères appelées nanoparticules, qui pourraient être facilement combinées avec l'oxyde de graphène. De plus, cette méthodologie nous a permis de travailler dans des dispersions aqueuses, quelque chose d'extrêmement difficile avec ce type de polymères", souligne Dr Benito.

"Initialement, nous n'avons observé aucun changement dans les propriétés électroniques du matériau. Cependant, lorsque nous l'avons analysé en détail, nous avons découvert que les nouveaux matériaux facilitaient des phénomènes de transport électronique rapides et inhabituels, si rapides que nous n'avons initialement pas été en mesure de les suivre avec les techniques standard."

La collaboration avec des chercheurs des universités de Murcia, Cartagena et Zaragoza a été essentielle pour confirmer la pertinence de leurs découvertes.

Cette découverte révolutionnaire a des implications significatives dans de nombreuses applications technologiques, y compris la fabrication d'écrans intelligents flexibles, de dispositifs électroniques portables ou de papier électronique extrêmement efficaces.

Eduardo Colom, l'auteur principal de l'article qui étudie les matériaux hybrides dans sa thèse de doctorat, explique : "Les dispositifs construits avec ce nouveau matériau présenteraient une efficacité supérieure, un poids réduit, une flexibilité accrue et une durabilité accrue, grâce à l'utilisation de matériaux respectueux de l'environnement avec des propriétés électriques exceptionnelles."

De plus, cette percée pourrait également améliorer l'efficacité des cellules solaires organiques en capturant une plus grande quantité de lumière du soleil de manière plus efficace et rentable.

Les auteurs soulignent également : "Nous pourrions être en mesure de fabriquer des dispositifs électroniques plus énergétiquement efficaces, consommant moins d'énergie tout en offrant des réponses plus rapides. Ces découvertes nous orientent vers un avenir basé sur une technologie plus avancée et durable."

La synthèse de ce nouveau matériau hybride représente une étape significative vers la durabilité, car elle utilise l'eau comme solvant, évitant ainsi l'utilisation de produits chimiques toxiques généralement utilisés dans les méthodologies actuelles. Cela a le potentiel de réduire l'impact environnemental associé à la fabrication des dispositifs électroniques.

Moreover, the synthesis strategy employed could be extended to other conductive polymers, thereby fostering important implications in technological applications. This finding represents an important achievement in the sustainable design of new architectures for high-performance optoelectronic devices.

The team of researchers of the G-CNN group has focused in recent times on creating highly functional and sustainable nanomaterials. These versatile nanomaterials find utility in a wide array of applications, ranging from the generation of clean energies, such as green hydrogen, to catalysis, energy storage or even heritage preservation, (bio)sensor development, and disease treatment.

Journal information: Chemistry of Materials

Provided by Spanish National Research Council