Les chercheurs du RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) ont récemment mis au point un matériau doté de propriétés auto-réparantes et capable d’émettre une fluorescence intense lorsqu’il est exposé à la lumière. Publiée dans le Journal of the American Chemical Society, la découverte permettrait la création de nouveaux matériaux, comme des cellules solaires organiques, présentant une durabilité supérieure à celle des technologies actuelles.
En 2019, Zhaomin Hou et son équipe du CSRS ont réussi à copolymériser de l’éthylène et de l’anisylpropylène en utilisant un catalyseur à base de métal rare. Le copolymère binaire obtenu a révélé des propriétés auto-réparantes remarquables. Les composants souples du copolymère, alternant des unités d’éthylène et d’anisylpropylène, associés à des unités cristallines dures de chaînes d’éthylène-éthylène, ont servi de points de réticulation physique, formant une structure nano-séparée en phase essentielle pour l’auto-réparation.
En s’appuyant sur ce succès, ils ont intégré une unité luminescente, le styrylpyrène, dans un monomère, puis ont formé des polymères incluant également de l’anisylpropylène et de l’éthylène. Ce processus a conduit à la synthèse, en une seule étape, d’un matériau auto-réparant présentant des caractéristiques de fluorescence.
Des applications prometteuses pour la durabilité
« Les matériaux fluorescents sont très utiles, car ils peuvent être utilisés pour les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les transistors à effet de champ organiques (OFET) et les cellules solaires. Cependant, l’un des principaux problèmes de ces matériaux est leur courte durée de vie en utilisation. Notre nouveau matériau pourrait permettre d’allonger la durée de vie des produits et d’accroître leur fiabilité », explique Masayoshi Nishiura, collaborateur de Zhaomin Hou dans cette étude.
Une surprise supplémentaire a été découverte : le copolymère s’est non seulement révélé résistant, mais il a également démontré une capacité d’auto-réparation sans stimuli ou énergie externes. Sa résistance à la traction s’est complètement rétablie en moins de 24 heures, affichant une vitesse d’auto-réparation élevée par rapport aux copolymères binaires. Le matériau a pu s’auto-réparer même dans l’eau, ainsi que dans des solutions acides et alcalines, lui conférant des utilisations potentielles dans divers environnements.
La structure en réseau du copolymère, impliquant des points de réticulation physiques formés par les unités de styrylpyrène et des nanodomaines cristallins d’éthylène-éthylène ainsi que des segments souples composés des unités alternées, a facilité l’auto-réparation.
Vers de nouvelles applications technologiques
Le matériau a également révélé une propriété supplémentaire. L’équipe de recherche a réussi à transférer une image bidimensionnelle sur le film auto-réparant fluorescent par photolithographie. Bien que l’image reste invisible à la lumière naturelle, elle devient reconnaissable sous la lumière ultraviolette, suggérant des applications potentielles pour le film en tant que dispositif de stockage d’informations. Le film a maintenu ses excellentes propriétés auto-réparantes et élastomères même avec les images.
« Le matériau que nous avons synthétisé, grâce à une réaction en une étape, nous a donné la capacité de contrôler ses propriétés optiques et mécaniques en ajustant la composition du monomère. Nous pensons qu’il pourrait contribuer de manière significative au développement de nouveaux matériaux fonctionnels avec de hautes capacités d’auto-réparation dans divers environnements pratiques », conclut Zhaomin Hou.
En synthèse
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un matériau auto-réparant ?
Un matériau auto-réparant est capable de se restaurer après avoir subi une détérioration ou une cassure, sans intervention extérieure.
Quels sont les avantages des matériaux fluorescents dans les technologies actuelles ?
Les matériaux fluorescents sont essentiels dans la fabrication d’OLEDs, d’OFETs et de cellules solaires, car ils permettent une meilleure efficacité et qualité de l’émission de lumière.
Comment le matériau développé par le CSRS contribue-t-il à la durabilité ?
En allongeant la durée de vie des produits grâce à ses propriétés auto-réparantes, le matériau contribue à réduire les déchets et à promouvoir une consommation plus durable.
Le matériau peut-il fonctionner dans différents environnements ?
Oui, le matériau a démontré sa capacité à s’auto-réparer dans l’eau, ainsi que dans des solutions acides et alcalines.
Quelles sont les applications potentielles de ce matériau ?
Outre les applications dans les OLEDs et les cellules solaires, le matériau pourrait être utilisé pour le stockage d’informations grâce à sa capacité à afficher des images sous lumière ultraviolette.
Références
Légende illustration : Fluorescence et propriété d’auto-cicatrisation du film imprimé de fleurs en terpolymère composé d’éthylène, d’anisylpropylène et de styrène substitué par du pyrénylthényle. Crédit : RIKEN
Article : « Synthesis of Tough and Fluorescent Self-Healing Elastomers by Scandium-Catalyzed Terpolymerization of Pyrenylethenylstyrene, Ethylene, and Anisylpropylene » – DOI: 10.1021/jacs.3c12342
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