Recentemente, un gruppo di ricerca dell’Università di Waseda ha sviluppato una nuova famiglia di HRIP chiamati poli(tiourea). Grazie a interazioni intermolecolari uniche, questi composti possono essere facilmente trasformati in HRIP trasparenti a basso costo per applicazioni optoelettroniche, nonché degradati e riciclati attraverso un protocollo poco costoso, rendendoli un'opzione sostenibile.

I dispositivi optoelettronici sono entrati in molti aspetti della nostra vita quotidiana, dai display OLED ai fotorilevatori, ai sistemi di sicurezza e al monitoraggio ambientale. In tutte le applicazioni, questi dispositivi utilizzano polimeri ad alto indice di rifrazione (HRIP) per controllare la luce.

In generale, le proprietà ottiche degli HRIP trasparenti consentono un'efficiente trasmissione e manipolazione della luce, consentendo ai dispositivi optoelettronici di guidare e controllare il flusso di luce per migliorare le loro prestazioni.

Tuttavia, non esistono opzioni a basso costo per gli HRIP che possano garantire buone prestazioni ottiche pur essendo trasparenti e rispettose dell’ambiente. Questo perché, per la maggior parte dei materiali, esiste un compromesso intrinseco tra indice di rifrazione, trasparenza e lavorabilità.

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Kenichi Oyaizu del Dipartimento di Chimica Applicata dell'Università di Waseda, in Giappone, ha trovato un modo per aggirare questo problema. Nel loro articolo pubblicato su Advanced Functional Materials , i ricercatori segnalano un nuovo tipo di HRIP aromatico le cui proprietà lo rendono un candidato perfetto per le moderne applicazioni optoelettroniche.

Questo articolo è stato scritto in collaborazione con Seigo Watanabe dell'Istituto di ricerca di scienza e ingegneria, Università di Waseda, nonché con Luca M. Cavinato e Rubén D. Costa, entrambi della Cattedra di materiali funzionali biogenici, Università tecnica di Monaco, Germania.

La famiglia di composti proposta è chiamata poli(tiourea) (PTU), dove ciascuna unità ripetitiva del polimero (il monomero) comprende un semplice anello aromatico legato a un gruppo tiourea (H₂ N−C(=S)−NH₂ ). Queste PTU hanno una proprietà eccezionale:le unità di tiourea nei diversi filamenti polimerici si attraggono tramite legami idrogeno, che è un tipo di interazione intermolecolare.

In parole povere, gli atomi di zolfo (S) di un gruppo tiourea attraggono gli atomi di idrogeno (H) legati all'azoto (N) in un altro gruppo tiourea a causa delle differenze locali nella carica elettrica.

Questi cosiddetti "legami idrogeno polarizzabili" fanno sì che il materiale PTU sia densamente impaccato, creando reti dense. Poiché il polimero è amorfo e non ha ordine cristallino, è altamente trasparente. Nel frattempo, gli anelli aromatici fungono da distanziatori, fornendo rigidità e resistenza meccanica e contribuendo a un indice di rifrazione più elevato.

Il gruppo di ricerca ha analizzato attentamente le proprietà di queste PTU e ne ha dimostrato il potenziale incorporandole in componenti optoelettronici sperimentali, ottenendo risultati notevoli. Più specificamente, le PTU proposte hanno dimostrato un'elevata trasparenza superiore al 92% e un eccezionale indice di rifrazione di 1,81.

In particolare, il team ha anche studiato se le PTU potrebbero essere facilmente degradate in molecole utili più semplici.

"A causa dei recenti problemi ambientali causati dai rifiuti plastici, la degradazione dei polimeri in monomeri diventa una funzionalità essenziale che porta al riciclaggio sostenibile. Per quanto ne sappiamo, ci sono stati pochissimi tentativi di conferire degradabilità agli HRIP e progetti sistematici per materiali degradabili Nonostante tali esigenze globali, non sono stati segnalati HRIP," afferma il prof. Oyaizu.

I loro sforzi hanno portato a un semplice protocollo di degradazione che prevede condizioni di riscaldamento blande e miscelazione con diammine, sufficienti per scomporre le PTU in pezzi più piccoli che possono essere rielaborati o riproposti per la sintesi chimica di nuove PTU.

Nel complesso, i risultati di questo studio sono molto promettenti per il futuro dei materiali e dei dispositivi optoelettronici nel più ampio contesto della sostenibilità.

"Sulla base di questi risultati, i materiali ottici rispettosi dell'ambiente sarebbero facilmente preparabili con un processo semplice, consentendo un'optoelettronica sostenibile come display luminosi a basso costo, dispositivi di illuminazione indossabili e occhiali polimerici più sottili, leggeri e degradabili", conclude il prof. Oyaizu.

"Credo che questo sia il primo passo verso la progettazione completa di polimeri optoelettronici di prossima generazione in grado di fornire un'elevata efficienza di estrazione della luce senza danneggiare l'ambiente."