העתיד של תאים סולאריים ועוד – כימאים יפנים מפתחים חומר זוהר ומרפא את עצמו

צוות מחקר במרכז RIKEN למדעי משאבים בר-קיימא (CSRS) הצליח לפתח חומר ריפוי עצמי המסוגל גם לפלוט כמות גבוהה של פלואורסצנטיות בעת קליטת אור. מפורט ב כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיהפיתוח זה סולל את הדרך להמצאת חומרים חדשים כמו תאים סולאריים אורגניים, המציעים עמידות משופרת בהשוואה לגרסאות קיימות.

בשנת 2019, Zhaomin Hou והצוות שלו ב-RIKEN CSRS הצליחו לבצע קופולימר של אתילן ואניסילפרופילן באמצעות זרז מתכת של אדמה נדירה. הקופולימר הבינארי שהתקבל הציג תכונות ריפוי עצמי יוצאות דופן מפני נזק. הרכיבים הרכים של הקופולימר, יחידות מתחלפות של אתילן ואניסילפרופילן, יחד עם יחידות גבישיות קשות של שרשראות אתילן-אתילן, פעלו כנקודות צולבות פיזיות, ויצרו מבנה מופרד בננו-פאזות שהוכח חיוני לריפוי עצמי.

תכונת הקרינה והריפוי העצמי של הסרט המודפס בפרחים של טרפולימר המורכב מאתילן, אניסילפרופילן וסטירן המוחלף בפירנילתניל. קרדיט: RIKEN

בהתבסס על הצלחה זו, הם שילבו יחידה זוהרת, סטירילפירן, במונומר ולאחר מכן יצרו פולימרים שכללו גם אניסילפרופילן ואתילן. תהליך זה הוביל לסינתזה, בשלב אחד, של חומר ריפוי עצמי בעל מאפייני פלואורסצנטי.

"חומרים פלורסנטים שימושיים מאוד, מכיוון שהם יכולים לשמש עבור דיודות פולטות אור אורגניות (OLED), טרנזיסטורי אפקט שדה אורגניים (OFET) ותאים סולאריים. אחת הבעיות העיקריות של חומרים אלה, לעומת זאת, היא אורך החיים הקצר שלהם במהלך השימוש. ניתן לצפות שהחומר החדש שלנו יאפשר אורך חיים ארוך יותר של המוצרים ואמינות מוגברת", אומר Masayoshi Nishiura, שותפו של Hou למחקר זה.

מאפיינים ויישומים משופרים

הייתה הפתעה נוספת. הקופולימר שהתקבל לא רק הוכיח את עצמו כקשוח, אלא גם הפגין ריפוי עצמי ללא גירויים חיצוניים או אנרגיה. חוזק המתיחה שלו התאושש במלואו תוך 24 שעות, והפגין מהירות ריפוי עצמי גבוהה בהשוואה לקופולימרים בינאריים. החומר היה מסוגל לרפא את עצמו אפילו בתמיסות מים, חומציות ובסיסיות ונותן לו שימושים פוטנציאליים במגוון של סביבות.

מבנה הרשת של הקופולימר, הכולל נקודות צולבות פיזיות שנוצרו על ידי יחידות הסטירילפירן וננו-דומיינים גבישיים של אתילן-אתילן ומקטעים רכים המורכבים מהיחידות המתחלפות, הקלו על התיקון העצמי.

החומר הראה גם תכונה נוספת. צוות המחקר הצליח להעביר בהצלחה תמונה דו-ממדית על גבי סרט הריפוי העצמי הפלורסצנטי באמצעות פוטוליתוגרפיה. למרות שהתמונה נותרה בלתי נראית באור טבעי, היא הפכה לזיהוי תחת אור אולטרה סגול, מה שמרמז על יישומים פוטנציאליים לסרט כמכשיר לאחסון מידע. הסרט שמר על תכונות הריפוי העצמי והאלסטומרי המצוינות שלו גם עם התמונות.

"החומר שסנתזנו, באמצעות תגובה חד-שלבית, נתן לנו את היכולת לשלוט בתכונות האופטיות והמכניות שלו על ידי התאמת הרכב המונומר. אנו חושבים שזה יכול לתרום באופן משמעותי לפיתוח חומרים פונקציונליים חדשים עם יכולות ריפוי עצמי גבוהות בסביבות מעשיות שונות", אומר Hou. מחקר זה עולה בקנה אחד עם יעדי הפיתוח בר-קיימא של האו"ם (SDGs), תורם במיוחד ל"יעד 12: הבטחת דפוסי צריכה וייצור ברי קיימא".