Ein Forscherteam des Instituto de Carboquímica des spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) hat einen bemerkenswerten Schritt vorwärts bei der Entwicklung effizienter und nachhaltiger elektronischer Geräte gemacht. Sie haben eine spezielle Kombination aus zwei außergewöhnlichen Nanomaterialien gefunden, die erfolgreich zu einem neuen Hybridprodukt führt, das Licht schneller in Elektrizität umwandeln kann und umgekehrt als herkömmliche Materialien.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Chemie der Materialien.
Dieses neue Material besteht aus einem eindimensionalen leitfähigen Polymer namens Polythiophen, das auf raffinierte Weise mit einem zweidimensionalen Graphenderivat namens Graphenoxid integriert ist. Die einzigartigen Eigenschaften dieses Hybridmaterials sind vielversprechend für die Verbesserung der Effizienz optoelektronischer Geräte, wie z. B. Bildschirme für intelligente Geräte und Solarmodule.
Dr. Wolfgang Maser, der leitende Forscher des Projekts, erklärt: „Durch unsere Synthesestrategie nimmt das Polymer eine bestimmte Struktur in Form wasserdispergierbarer Nanopartikel an, die einen engen Kontakt mit den Graphenoxidschichten begünstigt.“ Dieser Kontakt führt wiederum zu Veränderungen des elektrischen Verhaltens innerhalb des Polymers, wodurch dessen elektrische Effizienz deutlich erhöht wird.
Dr. Ana Benito, Co-Leiterin des Projekts und neben Dr. Maser Leiterin der Carbon Nanostructures and Nanotechnology Group (G-CNN), sagt: „Wir waren besonders von den vorteilhaften optischen, elektrischen und elektrochromen Eigenschaften von Polythiophen fasziniert. Während es bei Beleuchtung Elektrizität erzeugte und bei Versorgung mit Elektrizität Licht emittierte, reagierte es nur langsam.“
„Nach eingehender Untersuchung von Graphenoxid – einem aus Graphen gewonnenen Nanomaterial mit einzigartigen Eigenschaften, das in Wasser dispergierbar und leicht herzustellen ist – stellte das Team die Hypothese auf, dass die Kombination der beiden Materialien die inhärenten elektronischen Einschränkungen des Polymers überwinden würde“, betont Dr. Maser.
„Unser ursprüngliches Konzept bestand darin, das Polythiophen zu modifizieren und es in kleine Nanokügelchen, sogenannte Nanopartikel, umzuwandeln, die leicht mit Graphenoxid kombiniert werden konnten. Darüber hinaus ermöglichte uns diese Methodik, in wässrigen Dispersionen zu arbeiten, was bei dieser Art von Polymeren eine äußerst Herausforderung darstellt“, betont Dr. Benito.
„Anfangs beobachteten wir keine Veränderungen in den elektronischen Eigenschaften des Materials. Als wir es jedoch eingehend analysierten, stellten wir fest, dass die neuen Materialien ungewöhnlich schnelle Elektronentransportphänomene ermöglichten, und zwar so schnell, dass wir sie zunächst nicht mit den Standardtechniken verfolgen konnten.“
Die Zusammenarbeit mit Forschern der Universitäten Murcia, Cartagena und Zaragoza war der Schlüssel zur Bestätigung der Relevanz ihrer Ergebnisse.
Eine technologische Revolution
Diese bahnbrechende Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf eine Vielzahl technologischer Anwendungen, einschließlich der Herstellung intelligenter flexibler Bildschirme, tragbarer elektronischer Geräte oder hocheffizientem elektronischem Papier.
Eduardo Colom, der Hauptautor des Artikels, der in seiner Doktorarbeit die Hybridmaterialien untersucht. In seiner Dissertation heißt es: „Geräte, die mit diesem neuartigen Material hergestellt werden, würden dank der Verwendung umweltfreundlicher Materialien mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften eine überlegene Effizienz, ein geringeres Gewicht, eine größere Flexibilität und eine größere Nachhaltigkeit aufweisen.“
Darüber hinaus könnte dieser Durchbruch auch die Effizienz organischer Solarzellen steigern, indem er eine größere Menge Sonnenlicht auf effizientere und kostengünstigere Weise einfängt.
Die Autoren weisen weiter darauf hin: „Möglicherweise können wir energieeffizientere elektronische Geräte herstellen, die weniger Strom verbrauchen und gleichzeitig schnellere Reaktionen ermöglichen. Diese Erkenntnisse treiben uns in eine Zukunft, die auf einer fortschrittlicheren und nachhaltigeren Technologie basiert.“
Ein Bekenntnis zur Nachhaltigkeit
Die Synthese dieses neuen Hybridmaterials stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung Nachhaltigkeit dar, da es auf Wasser als Lösungsmittel basiert und den Einsatz giftiger Chemikalien vermeidet, die bei aktuellen Methoden üblicherweise zum Einsatz kommen. Dies birgt das Potenzial, die mit der Herstellung elektronischer Geräte verbundenen Umweltauswirkungen zu verringern.
Darüber hinaus könnte die verwendete Synthesestrategie auf andere leitfähige Polymere ausgeweitet werden, was wichtige Auswirkungen auf technologische Anwendungen hätte. Diese Erkenntnis stellt einen wichtigen Erfolg beim nachhaltigen Design neuer Architekturen für leistungsstarke optoelektronische Geräte dar.
Das Forscherteam der G-CNN-Gruppe hat sich in jüngster Zeit auf die Entwicklung hochfunktionaler und nachhaltiger Nanomaterialien konzentriert. Diese vielseitigen Nanomaterialien finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, die von der Erzeugung sauberer Energien wie grünem Wasserstoff bis hin zur Katalyse, Energiespeicherung oder sogar zur Erhaltung des kulturellen Erbes, zur Entwicklung von (Bio-)Sensoren und zur Behandlung von Krankheiten reichen.
Mehr Informationen:
Eduardo Colom et al., Graphenoxid: Schlüssel zur effizienten Ladungsextraktion und Unterdrückung des polaronischen Transports in Hybriden mit Poly(3-hexylthiophen)-Nanopartikeln, Chemie der Materialien (2023). DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c00008