Onderzoekers boeken vooruitgang in de richting van een nieuw milieuvriendelijk nanomateriaal dat een revolutie teweeg kan brengen in elektronische apparaten

Een team van onderzoekers van het Instituto de Carboquímica van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC) heeft een opmerkelijke stap voorwaarts gemaakt in de ontwikkeling van efficiënte en duurzame elektronische apparaten. Ze hebben een speciale combinatie van twee buitengewone nanomaterialen gevonden die met succes resulteert in een nieuw hybride product dat in staat is om licht in elektriciteit om te zetten, en vice versa, sneller dan conventionele materialen.

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Chemie van materialen.

Dit nieuwe materiaal bestaat uit een eendimensionaal geleidend polymeer genaamd polythiofeen, ingenieus geïntegreerd met een tweedimensionaal derivaat van grafeen dat bekend staat als grafeenoxide. De unieke kenmerken van dit hybride materiaal houden een ongelooflijke belofte in voor het verbeteren van de efficiëntie van opto-elektronische apparaten, zoals onder andere schermen van slimme apparaten en zonnepanelen.

Dr. Wolfgang Maser, de hoofdonderzoeker van het project, legt uit: “Door onze synthesestrategie neemt het polymeer een bepaalde structuur aan als in water dispergeerbare nanodeeltjes, wat een intiem contact met de grafeenoxidevellen bevordert.” Dit contact leidt op zijn beurt tot veranderingen in elektrisch gedrag binnen het polymeer, waardoor de elektrische efficiëntie aanzienlijk toeneemt.

Dr. Ana Benito, co-lead onderzoeker van het project, en samen met Dr. Maser van de groep Carbon Nanostructures and Nanotechnology (G-CNN), zegt: “We waren vooral geïntrigeerd door de voordelige optische, elektrische en elektrochrome eigenschappen van polythiofeen. Hoewel het elektriciteit opwekte bij verlichting en licht uitstraalde wanneer het van elektriciteit werd voorzien, reageerde het traag.’

“Na uitgebreid onderzoek te hebben gedaan naar grafeenoxide – een nanomateriaal dat is afgeleid van grafeen dat unieke eigenschappen heeft, in water dispergeerbaar is en gemakkelijk te produceren – veronderstelde het team dat het combineren van de twee materialen de inherente elektronische beperkingen van het polymeer zou overwinnen”, legt Dr. Maser uit.

“Ons oorspronkelijke concept was om het polythiofeen te modificeren en het om te zetten in kleine nanosferen, nanodeeltjes genaamd, die gemakkelijk konden worden gecombineerd met grafeenoxide. Bovendien stelde deze methodologie ons in staat om in waterige dispersies te werken, iets wat buitengewoon uitdagend is met dit type polymeren”, benadrukt Dr. Benito.

“Aanvankelijk zagen we geen veranderingen in de elektronische eigenschappen van het materiaal. Toen we het echter grondig analyseerden, ontdekten we dat de nieuwe materialen ongebruikelijke snelle elektronentransportfenomenen mogelijk maakten, zo snel dat we het aanvankelijk niet konden volgen met de standaardtechnieken. ”

Samenwerking met onderzoekers van de universiteiten van Murcia, Cartagena en Zaragoza was essentieel om de relevantie van hun bevindingen te bevestigen.

Een technologische revolutie

Deze baanbrekende ontdekking heeft belangrijke implicaties voor een breed scala aan technologische toepassingen, waaronder de fabricage van slimme flexibele schermen, draagbare elektronische apparaten of zeer efficiënt elektronisch papier.

Eduardo Colom, de hoofdauteur van het artikel die de hybride materialen onderzoekt in zijn Ph.D. thesis, legt uit: “Apparaten gebouwd met dit nieuwe materiaal zouden superieure efficiëntie, lager gewicht, verbeterde flexibiliteit en grotere duurzaamheid vertonen, allemaal dankzij het gebruik van milieuvriendelijke materialen met uitstekende elektrische eigenschappen.”

Bovendien zou deze doorbraak ook de efficiëntie van organische zonnecellen kunnen verhogen door op een efficiëntere en kosteneffectievere manier een grotere hoeveelheid licht van de zon op te vangen.

De auteurs wijzen er verder op: “We kunnen mogelijk meer energetisch efficiëntere elektronische apparaten maken die minder stroom verbruiken en tegelijkertijd sneller reageren. Deze bevindingen duwen ons naar een toekomst gebaseerd op een meer geavanceerde en duurzame technologie.”

Een verbintenis tot duurzaamheid

De synthese van dit nieuwe hybride materiaal is een belangrijke stap in de richting van duurzaamheid, aangezien het afhankelijk is van water als oplosmiddel, waardoor het gebruik van giftige chemicaliën die gewoonlijk in de huidige methodologieën worden gebruikt, wordt vermeden. Dit heeft het potentieel om de milieu-impact die gepaard gaat met de fabricage van elektronische apparaten te verminderen.

Bovendien zou de gebruikte synthesestrategie kunnen worden uitgebreid naar andere geleidende polymeren, waardoor belangrijke implicaties voor technologische toepassingen worden bevorderd. Deze bevinding vertegenwoordigt een belangrijke prestatie in het duurzame ontwerp van nieuwe architecturen voor hoogwaardige opto-elektronische apparaten.

Het team van onderzoekers van de G-CNN-groep heeft zich de afgelopen tijd gericht op het creëren van zeer functionele en duurzame nanomaterialen. Deze veelzijdige nanomaterialen vinden toepassing in een breed scala aan toepassingen, variërend van het opwekken van schone energieën, zoals groene waterstof, tot katalyse, energieopslag of zelfs erfgoedbehoud, (bio)sensorontwikkeling en ziektebehandeling.