07 mars 2024 (Projecteur Nanowerk) Dans la quête de matériaux durables et multifonctionnels, le bois s'est imposé comme un candidat de choix en raison de sa combinaison unique de résistance, de durabilité et de renouvelabilité. Cependant, malgré ses nombreuses propriétés recherchées, le bois a longtemps été gêné par son opacité, limitant ses applications potentielles dans des domaines tels que les bâtiments économes en énergie, les cellules solaires et les dispositifs électroluminescents. Pour surmonter cette limitation, les chercheurs ont développé diverses stratégies pour rendre le bois transparent tout en préservant son intégrité mécanique, un processus qui consiste généralement à retirer le composant lignine absorbant la lumière et à le remplacer par une matrice polymère transparente. Même si le bois transparent représente en lui-même une avancée significative, la capacité de lui conférer des fonctionnalités supplémentaires, telles que la phosphorescence à température ambiante, reste un défi. La phosphorescence à température ambiante, l'émission de lumière qui persiste après la suppression de la source d'excitation, a de nombreuses applications potentielles, notamment la signalisation d'urgence, les étiquettes anti-contrefaçon et l'éclairage décoratif. Cependant, la plupart des matériaux présentant ce phénomène sont des composés inorganiques ou organométalliques, qui peuvent être coûteux, toxiques et difficiles à traiter. Les composés organiques, en revanche, souffrent souvent de faibles émissions et de courtes durées de vie en raison de croisements intersystèmes inefficaces et de voies de désintégration non radiatives. Dans le but de remédier à ces limites, les chercheurs ont exploré diverses stratégies visant à améliorer la phosphorescence des matériaux organiques à température ambiante, telles que l'ingénierie cristalline, la complexation hôte-invité et l'encapsulation de matrice polymère. Bien que ces approches aient donné des résultats prometteurs, elles nécessitent souvent une synthèse complexe, un contrôle précis de l’arrangement moléculaire ou l’utilisation d’ions métalliques rares et coûteux. De plus, l’intégration de ces matériaux phosphorescents dans des applications pratiques à grande échelle reste un défi de taille. Les avancées récentes dans le domaine de électronique organique ont fourni de nouvelles informations sur la conception et la synthèse de phosphores organiques efficaces et stables. En particulier, il a été démontré que l'utilisation de structures rigides conjuguées en π avec des atomes lourds ou des groupes carbonyle améliore le croisement intersystème et réduit la désintégration non radiative. De plus, il a été constaté que l’incorporation de ces luminophores dans des matrices polymères présentant des températures de transition vitreuse élevées et une faible perméabilité à l’oxygène améliore leur stabilité et leurs performances dans des conditions ambiantes. S'appuyant sur ces développements, une équipe de chercheurs de l'Université forestière de Pékin et de l'Université de technologie de Chine du Sud a désormais franchi une étape importante en intégrant avec succès des phosphores organiques dans du bois transparent, créant ainsi une nouvelle classe de matériaux durables et multifonctionnels avec des propriétés réglables et de longue durée. phosphorescence à température ambiante. Leur approche innovante, qui implique la liaison covalente des acides arylboroniques aux fibres de cellulose et à la matrice d'alcool polyvinylique au sein de la structure du bois, non seulement surmonte les limites des luminophores organiques précédents, mais exploite également les propriétés uniques du bois pour améliorer les performances optiques et mécaniques du bois. le matériau résultant.
Illustration schématique du bois transparent à phosphorescence à température ambiante (PTW). a) Préparation des PTW et structures chimiques des différents acides arylboroniques. b) Photographies de fenêtres à rémanence intelligentes multicolores, de panneaux d'éclairage temporisés avec rémanence blanche et de panneaux d'éclairage à retard colorés flexibles constitués de divers PTW. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) La recherche a été publiée dans Petits Ouvrages (« Phosphorescence colorée à température ambiante, y compris la rémanence blanche du bois transparent mécanique robuste pour un éclairage temporisé »).
La clé du succès de cette approche réside dans la formation de liaisons covalentes entre les atomes de bore des acides arylboroniques et les atomes d'oxygène de l'alcool polyvinylique et des fibres de cellulose. Ces liaisons BO remplissent deux fonctions essentielles : elles ancrent les molécules phosphorescentes à la structure du bois, les empêchant de s'échapper au fil du temps, et elles créent un réseau rigide et dense de liaisons hydrogène qui supprime les mouvements moléculaires et stabilise les excitons triples responsables de la phosphorescence. En sélectionnant soigneusement des acides arylboroniques avec différentes structures π-conjuguées, telles que le biphényle, le phénanthrène et le pyrène, les chercheurs ont pu affiner la couleur de la phosphorescence du bleu au vert en passant par le rouge, avec des durées de vie allant de 0.21 à 2.13 secondes.
Les échantillons de bois transparents produits selon cette méthode présentaient des propriétés optiques et mécaniques remarquables. Les valeurs de transmission atteignaient jusqu'à 90 %, rendant le matériau très transparent, tandis que les résistances à la traction atteignaient jusqu'à 154 MPa, dépassant de loin celles de la plupart des polymères et plastiques. Cette combinaison de clarté optique et de robustesse mécanique constitue une avancée majeure, car elle ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation de matériaux à base de bois dans des applications nécessitant à la fois transparence et résistance, telles que les fenêtres économes en énergie, les cellules solaires et les écrans flexibles.
Une autre réalisation impressionnante de ce travail a été la génération de phosphorescence de lumière blanche en dopant un échantillon de bois transparent émettant du bleu avec une petite quantité de colorant émettant du rouge, la rhodamine 6G. Grâce à un processus connu sous le nom de transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET), les excitons triplets du donneur d'acide arylboronique ont transféré efficacement leur énergie à l'état excité singulet de l'accepteur de rhodamine 6G, ce qui a abouti à un mélange équilibré d'émissions bleues et rouges qui sont apparues blanches à l'oeil. Ce bois transparent émettant de la lumière blanche avait une durée de vie de phosphorescence de 1.85 seconde et une coordonnée de couleur proche de celle de la lumière blanche standard, ce qui le rendait particulièrement attrayant pour les applications d'éclairage et d'affichage à semi-conducteurs.
Pour démontrer le potentiel pratique de leur bois transparent phosphorescent, les chercheurs ont fabriqué plusieurs dispositifs de validation de principe, notamment des fenêtres intelligentes pouvant fournir un éclairage ambiant après avoir été exposées au soleil pendant la journée, des panneaux d'éclairage temporisés pouvant servir de panneaux d'urgence. ou des éléments décoratifs, et des étiquettes anti-contrefaçon qui révèlent des motifs cachés lorsque la source d'excitation est supprimée. Ces démonstrations mettent en évidence la polyvalence du matériau et son potentiel d'intégration dans une large gamme de produits et de systèmes, des matériaux de construction aux biens de consommation.
Bien que le développement du bois transparent phosphorescent représente une étape importante, certains défis doivent encore être relevés pour améliorer encore ses performances et élargir son applicabilité. Par exemple, améliorer l’efficacité et la luminosité de la phosphorescence, prolonger encore la durée de vie et élargir la gamme de couleurs d’émission et de stratégies de mélange de couleurs pourraient rendre le matériau encore plus attrayant pour des applications pratiques. De plus, la stabilité et les performances à long terme du bois transparent phosphorescent dans différentes conditions environnementales, telles qu'une humidité élevée, des températures extrêmes et une exposition aux UV, doivent être soigneusement évaluées pour garantir sa durabilité et sa fiabilité.
Malgré ces défis, les travaux de l’équipe de l’Université forestière de Pékin et de l’Université de technologie de Chine du Sud démontrent le vaste potentiel des matériaux à base de bois pour répondre à la demande croissante de technologies durables, performantes et multifonctionnelles. En combinant les avantages inhérents du bois avec des fonctionnalités chimiques et physiques avancées, les chercheurs ouvrent la voie à une nouvelle génération de matériaux intelligents, écologiques et polyvalents qui pourraient transformer notre façon de vivre, de travailler et de communiquer.
À mesure que la recherche dans ce domaine continue de progresser, nous pouvons nous attendre à voir des développements encore plus intéressants dans un avenir proche. L’intégration du bois transparent phosphorescent avec d’autres technologies émergentes, telles que les cellules solaires, les capteurs et les appareils électroniques, pourrait conduire à la création de matériaux véritablement multifonctionnels, économes en énergie et intelligents qui brouillent les frontières entre nature et technologie. L’impact potentiel de ces innovations dans des domaines allant de l’architecture et des transports à la santé et au divertissement est immense, et force est de constater que le bois, matériau utilisé par l’humanité depuis des millénaires, nous réserve encore bien des surprises.
Le développement du bois transparent phosphorescent représente une avancée significative dans le domaine des matériaux durables et multifonctionnels. En exploitant les propriétés uniques du bois et en les intégrant à des fonctionnalités optiques avancées, les chercheurs ont créé une nouvelle classe de matériaux qui combinent le meilleur des deux mondes : la résistance, la durabilité et la durabilité du bois avec la transparence, la phosphorescence et l'accordabilité des matériaux organiques. phosphores.
Bien qu'il reste encore des défis à relever, les applications potentielles de cette technologie sont vastes et passionnantes, allant des bâtiments économes en énergie et des fenêtres intelligentes aux écrans flexibles et aux étiquettes anti-contrefaçon.
Illustration schématique du bois transparent à phosphorescence à température ambiante (PTW). a) Préparation des PTW et structures chimiques des différents acides arylboroniques. b) Photographies de fenêtres à rémanence intelligentes multicolores, de panneaux d'éclairage temporisés avec rémanence blanche et de panneaux d'éclairage à retard colorés flexibles constitués de divers PTW. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) La recherche a été publiée dans Petits Ouvrages (« Phosphorescence colorée à température ambiante, y compris la rémanence blanche du bois transparent mécanique robuste pour un éclairage temporisé »).
La clé du succès de cette approche réside dans la formation de liaisons covalentes entre les atomes de bore des acides arylboroniques et les atomes d'oxygène de l'alcool polyvinylique et des fibres de cellulose. Ces liaisons BO remplissent deux fonctions essentielles : elles ancrent les molécules phosphorescentes à la structure du bois, les empêchant de s'échapper au fil du temps, et elles créent un réseau rigide et dense de liaisons hydrogène qui supprime les mouvements moléculaires et stabilise les excitons triples responsables de la phosphorescence. En sélectionnant soigneusement des acides arylboroniques avec différentes structures π-conjuguées, telles que le biphényle, le phénanthrène et le pyrène, les chercheurs ont pu affiner la couleur de la phosphorescence du bleu au vert en passant par le rouge, avec des durées de vie allant de 0.21 à 2.13 secondes.
Les échantillons de bois transparents produits selon cette méthode présentaient des propriétés optiques et mécaniques remarquables. Les valeurs de transmission atteignaient jusqu'à 90 %, rendant le matériau très transparent, tandis que les résistances à la traction atteignaient jusqu'à 154 MPa, dépassant de loin celles de la plupart des polymères et plastiques. Cette combinaison de clarté optique et de robustesse mécanique constitue une avancée majeure, car elle ouvre de nouvelles possibilités d'utilisation de matériaux à base de bois dans des applications nécessitant à la fois transparence et résistance, telles que les fenêtres économes en énergie, les cellules solaires et les écrans flexibles.
Une autre réalisation impressionnante de ce travail a été la génération de phosphorescence de lumière blanche en dopant un échantillon de bois transparent émettant du bleu avec une petite quantité de colorant émettant du rouge, la rhodamine 6G. Grâce à un processus connu sous le nom de transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET), les excitons triplets du donneur d'acide arylboronique ont transféré efficacement leur énergie à l'état excité singulet de l'accepteur de rhodamine 6G, ce qui a abouti à un mélange équilibré d'émissions bleues et rouges qui sont apparues blanches à l'oeil. Ce bois transparent émettant de la lumière blanche avait une durée de vie de phosphorescence de 1.85 seconde et une coordonnée de couleur proche de celle de la lumière blanche standard, ce qui le rendait particulièrement attrayant pour les applications d'éclairage et d'affichage à semi-conducteurs.
Pour démontrer le potentiel pratique de leur bois transparent phosphorescent, les chercheurs ont fabriqué plusieurs dispositifs de validation de principe, notamment des fenêtres intelligentes pouvant fournir un éclairage ambiant après avoir été exposées au soleil pendant la journée, des panneaux d'éclairage temporisés pouvant servir de panneaux d'urgence. ou des éléments décoratifs, et des étiquettes anti-contrefaçon qui révèlent des motifs cachés lorsque la source d'excitation est supprimée. Ces démonstrations mettent en évidence la polyvalence du matériau et son potentiel d'intégration dans une large gamme de produits et de systèmes, des matériaux de construction aux biens de consommation.
Bien que le développement du bois transparent phosphorescent représente une étape importante, certains défis doivent encore être relevés pour améliorer encore ses performances et élargir son applicabilité. Par exemple, améliorer l’efficacité et la luminosité de la phosphorescence, prolonger encore la durée de vie et élargir la gamme de couleurs d’émission et de stratégies de mélange de couleurs pourraient rendre le matériau encore plus attrayant pour des applications pratiques. De plus, la stabilité et les performances à long terme du bois transparent phosphorescent dans différentes conditions environnementales, telles qu'une humidité élevée, des températures extrêmes et une exposition aux UV, doivent être soigneusement évaluées pour garantir sa durabilité et sa fiabilité.
Malgré ces défis, les travaux de l’équipe de l’Université forestière de Pékin et de l’Université de technologie de Chine du Sud démontrent le vaste potentiel des matériaux à base de bois pour répondre à la demande croissante de technologies durables, performantes et multifonctionnelles. En combinant les avantages inhérents du bois avec des fonctionnalités chimiques et physiques avancées, les chercheurs ouvrent la voie à une nouvelle génération de matériaux intelligents, écologiques et polyvalents qui pourraient transformer notre façon de vivre, de travailler et de communiquer.
À mesure que la recherche dans ce domaine continue de progresser, nous pouvons nous attendre à voir des développements encore plus intéressants dans un avenir proche. L’intégration du bois transparent phosphorescent avec d’autres technologies émergentes, telles que les cellules solaires, les capteurs et les appareils électroniques, pourrait conduire à la création de matériaux véritablement multifonctionnels, économes en énergie et intelligents qui brouillent les frontières entre nature et technologie. L’impact potentiel de ces innovations dans des domaines allant de l’architecture et des transports à la santé et au divertissement est immense, et force est de constater que le bois, matériau utilisé par l’humanité depuis des millénaires, nous réserve encore bien des surprises.
Le développement du bois transparent phosphorescent représente une avancée significative dans le domaine des matériaux durables et multifonctionnels. En exploitant les propriétés uniques du bois et en les intégrant à des fonctionnalités optiques avancées, les chercheurs ont créé une nouvelle classe de matériaux qui combinent le meilleur des deux mondes : la résistance, la durabilité et la durabilité du bois avec la transparence, la phosphorescence et l'accordabilité des matériaux organiques. phosphores.
Bien qu'il reste encore des défis à relever, les applications potentielles de cette technologie sont vastes et passionnantes, allant des bâtiments économes en énergie et des fenêtres intelligentes aux écrans flexibles et aux étiquettes anti-contrefaçon.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
Nanotechnologie: l'avenir est minusculeet
Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
Copyright ©
Nanowerk LLC
Devenez auteur invité Spotlight! Rejoignez notre grand groupe de contributeurs invités. Vous venez de publier un article scientifique ou avez-vous d'autres développements passionnants à partager avec la communauté des nanotechnologies? Voici comment publier sur nanowerk.com.
- Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
- PlatoData.Network Ai générative verticale. Autonomisez-vous. Accéder ici.
- PlatoAiStream. Intelligence Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
- PlatonESG. Carbone, Technologie propre, Énergie, Environnement, Solaire, La gestion des déchets. Accéder ici.
- PlatoHealth. Veille biotechnologique et essais cliniques. Accéder ici.
- La source: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64810.php
