Novos polímeros de alto índice de refração são promissores em optoeletrônica sustentável
Uma nova família de polímeros baseada em poli(tioureia)s não só oferece alta transparência e alto índice de refração, mas também pode ser sintetizada, processada e, em última análise, reciclada a um baixo custo, provavelmente abrindo caminho para a próxima geração de optoeletrônicos dispositivos. Crédito:Kenichi Oyaizu da Universidade Waseda Polímeros de alto índice de refração (HRIPs) são essenciais para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos modernos, incluindo monitores e sensores de luz. No entanto, os HRIPs de alto desempenho são caros e prejudiciais ao meio ambiente.
Recentemente, uma equipe de pesquisa da Universidade de Waseda desenvolveu uma nova família de HRIPs chamada poli(tioureia)s. Graças às interações intermoleculares únicas, estes compostos podem ser facilmente processados em HRIPs transparentes de baixo custo para aplicações optoeletrónicas, bem como degradados e reciclados através de um protocolo barato, tornando-os uma opção sustentável.
Os dispositivos optoeletrônicos entraram em muitos aspectos de nossas vidas diárias, desde telas OLED até fotodetectores, sistemas de segurança e monitoramento ambiental. Em todas as aplicações, esses dispositivos utilizam polímeros de alto índice de refração (HRIPs) para controlar a luz.
Em geral, as propriedades ópticas dos HRIPs transparentes permitem transmissão e manipulação eficientes da luz, permitindo que dispositivos optoeletrônicos orientem e controlem o fluxo de luz para melhorar seu desempenho.
No entanto, não existem opções de baixo custo para HRIPs que possam garantir um bom desempenho óptico e ao mesmo tempo serem transparentes e ecologicamente corretos. Isto ocorre porque, para a maioria dos materiais, existe um compromisso inerente entre o seu índice de refração, transparência e processabilidade.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Kenichi Oyaizu, do Departamento de Química Aplicada da Universidade Waseda, no Japão, encontrou uma maneira de contornar esse problema. Em seu artigo publicado em Advanced Functional Materials , os pesquisadores relatam um novo tipo de HRIP aromático cujas propriedades o tornam um candidato perfeito para aplicações optoeletrônicas modernas.
Este artigo foi coautor de Seigo Watanabe do Instituto de Pesquisa de Ciência e Engenharia da Universidade Waseda, bem como de Luca M. Cavinato e Rubén D. Costa, ambos da Cátedra de Materiais Funcionais Biogênicos da Universidade Técnica de Munique, Alemanha.
. Pesquisadores relatam uma nova família de polímeros sustentáveis e de baixo custo que podem ser úteis para displays, fotodetectores e dispositivos de iluminação modernos. Crédito:Kenichi Oyaizu da Universidade Waseda
a) Projeto molecular de poli(tiouréia)s (PTUs) com sinergia de grupo polarizável, b) representação esquemática plausível de redes de ligação H desordenadas (várias conformacionais) entre as cadeias de PTU permitindo redes supramoleculares polarizáveis, e c) representação esquemática do arquitetura de células eletroquímicas emissoras de luz. Crédito:Kenichi Oyaizu da Universidade Waseda
Os pesquisadores estabelecem um protocolo muito barato para converter os polímeros propostos em monômeros que podem ser reutilizados para outros procedimentos de síntese química. Consistindo apenas em aquecimento moderado e adição de diamina, este protocolo garante que a família de compostos proposta seja compatível com os atuais objetivos de sustentabilidade. Crédito:Kenichi Oyaizu da Universidade Waseda
A família de compostos proposta é chamada de poli(tioureia)s (PTUs), com cada unidade repetida do polímero (o monômero) compreendendo um anel aromático simples ligado a um grupo tioureia (H2 N−C(=S)−NH2 ). Estes PTUs têm uma propriedade excepcional:as unidades de tioureia em diferentes cadeias poliméricas atraem-se através de ligações de hidrogénio, o que é um tipo de interacção intermolecular.
Simplificando, os átomos de enxofre (S) de um grupo tioureia atraem os átomos de hidrogênio (H) ligados ao nitrogênio (N) em outro grupo tioureia devido a diferenças locais na carga elétrica.
Essas chamadas “ligações de hidrogênio polarizáveis” fazem com que o material PTU seja densamente compactado, criando redes densas. Como o polímero é amorfo e não possui ordem cristalina, é altamente transparente. Enquanto isso, os anéis aromáticos servem como espaçadores, proporcionando alguma rigidez e resistência mecânica e contribuindo para um maior índice de refração.
A equipe de pesquisa analisou cuidadosamente as propriedades desses PTUs e demonstrou seu potencial ao incorporá-los em componentes optoeletrônicos experimentais, obtendo resultados notáveis. Mais especificamente, os PTUs propostos demonstraram uma elevada transparência superior a 92% e um índice de refração excepcional de 1,81.
Notavelmente, a equipe também investigou se os PTUs poderiam ser facilmente degradados em moléculas úteis mais simples.
"Devido aos recentes problemas ambientais causados por resíduos plásticos, a degradação de polímeros em monômeros torna-se uma funcionalidade essencial que leva à reciclagem sustentável. Até onde sabemos, tem havido pouquíssimas tentativas de conferir degradabilidade aos HRIPs, e projetos sistemáticos para materiais degradáveis Os HRIPs não foram relatados apesar dessas necessidades globais", diz o Prof. Oyaizu.
Seus esforços levaram a um protocolo de degradação simples que envolve condições suaves de aquecimento e mistura com diaminas, o que é suficiente para quebrar os PTUs em pedaços menores que podem ser reprocessados ou reaproveitados para a síntese química de novos PTUs.
No geral, os resultados deste estudo são muito promissores para o futuro dos materiais e dispositivos optoeletrônicos no contexto mais amplo da sustentabilidade.
"Com base nessas descobertas, materiais ópticos ecologicamente corretos seriam facilmente preparáveis com um processo simples, permitindo optoeletrônica sustentável, como telas brilhantes de baixo custo, dispositivos de iluminação vestíveis e óculos de polímero mais finos, mais leves e degradáveis", conclui o Prof.
"Acredito que este seja o primeiro passo em direção ao projeto abrangente de polímeros optoeletrônicos de próxima geração que possam fornecer alta eficiência de extração de luz sem prejudicar o meio ambiente."
