La chimica organica mette a disposizione delle tecnologie che associano l'ottica e l'elettronica una nuova gamma di materiali promettenti. Un congresso internazionale organizzato a Parigi dal Centro nazionale per la ricerca scientifica (CNRS) dà l'opportunità di fare il punto su questo tema.
Contesto
I polimeri otticoelettronici possiedono importanti proprietà
potenziali che giustificano la recente intensificazione della
ricerca in questo campo. Inoltre, sebbene per il momento si cerchi
di sviluppare nuovi materiali piuttosto che indagare sulle eventuali
utilizzazioni, sono già state individuate possibili applicazioni
industriali.
Rispetto ai semiconduttori classici, una prima serie di vantaggi
associa il basso costo delle materie prime e procedimenti di fabbricazione
semplici e a temperatura moderate alla facilità della loro
messa in opera (strati deposti per immersione), cui va aggiunta
la possibilità di utilizzare un supporto flessibile. Tali
caratteristiche permettono di prevedere elementi fotoelettrici
di grandi dimensioni e di costo contenuto, per applicazioni di
elettroluminescenza come la visualizzazione su schermi o terminali
o per celle solari fotovoltaiche.
Un'altra serie di proprietà riguarda l'ottica non lineare,
con l'effetto elettroottico (variazione dell'indice di rifrazione
in presenza di un campo elettrico) o il raddoppio della frequenza
(trasformazione di due fotoni incidenti in un solo fotone con
lunghezza donda dimezzata). In confronto ai cristalli minerali,
la disponibilità di una grande varietà di composti
organici di base e l'estesa varietà di molecole che possono
essere scelte permettono di ottimizzare le caratteristiche dei
materiali.
D'altro canto la compatibilità con i tessuti viventi permette
le applicazioni mediche, per esempio nel campo dei sensori, e
potrebbe anche dar vita alla bioelettronica.
Infine, e ciò costituisce il progresso più importante per il futuro, il controllo del trasferimento elettronico a livello molecolare apre la strada ad una miniaturizzazione avanzata.
Ricerca
Per quanto concerne i componenti elettronici, gli sforzi dello
sviluppo vertono sul miglioramento del rendimento e della durata
e l'estensione delle proprietà spettrali, grazie alla ricerca
sulle diverse strutture molecolari e al perfezionamento dei metodi
di fabbricazione. Viene prestata un'attenzione particolare all'emissione
nello spettro del blu, in cui la messa a punto di un diodo a laser
avrebbe un impatto notevole.
L'ottica non lineare è il settore nel quale i composti
organici si sono imposti più rapidamente. Dopo il successo
dell'NPP (nitrofenil-prolinol) immesso sul mercato come cristallo
capace di raddoppiare la frequenza dei laser, le ricerche si concentrano
sulla fabbricazione di guide d'onda per le comunicazioni ottiche.
Un terzo settore di ricerca riguarda i sistemi molecolari fotocommutabili.
Fatta eccezione per le loro applicazioni in campo medico o per
l'archiviazione ottica delle informazioni, si tratta di ricerche
di base dai confini non ben definiti, come per esempio le ricerche
sui fullereni tubolari, per i quali si spera in un ricco potenziale
di risultati.
Risultati
Numerose famiglie di molecole elettroluminescenti coprono
tutto lo spettro visibile, come ad esempio le idrossichinoline
o i composti naftalenici legati a sostanze coloranti.
Sono state inoltre realizzate delle superfici elettroluminescenti
flessibili in PPV (polifenileni vinileni), ed è stata osservata
una debole emissione stimolata nel blu con PPP (poli -para-fenileni)
molto puri, che hanno molecole ordinate della brillanza da 2000
a 3000 candele per mq. e rendimenti dall'1 al 4%. Invece, benché
la durata di vita aumenti grazie all'incapsulamento (1000-2000
ore), il problema dell'indirizzamento dei pixel (necessario per
gli schermi piatti) non è stato ancora risolto.
Sono state sviluppate celle fotovoltaiche con la coppia perilene-ottotiofene
che funziona in giunzione pn, nonché con metalloporfirine
che presentano un'analogia strutturale con la clorofilla. Ma anche
in questo caso le rese sono ancora basse, dell'ordine dell'1%.
Per quanto concerne le guide d'onda, presso il CNET è stata
realizzata mediante microlitografia l'integrazione di un modulatore
costituito da un polimero (poliuretano con comofori) e di un diodo
a laser per telecomunicazioni. I vantaggi di una bassa tensione
di comando (9 volt), di una banda passante molto elevata (parecchie
decine di gigahertz) e del basso costo di produzione permettono
un'utilizzazione generalizzata di modulatori e commutatori elettroottici
nei collegamenti su fibre ottiche.
Lo studio dei composti basati sul trasferimento di elettroni nelle
molecole si sviluppa sotto la direzione del Professor J.M. Lehn
(premio Nobel 1987). I materiali che possiedono la proprietà
di trasferire un elettrone mediante fotoinduzione o induzione
chimica da un'estremità all'altra della molecola costituiscono
un filo molecolare che permette la funzione di commutazione
a scatto luminoso o chimico. Esempi di tali materiali sono le
catene poliolefiniche che possiedono un'attività redox,
o le fosfoporfirine che possono collegarsi nelle tre dimensioni.
La coniugazione di piridine con uno ione europio forma un sistema
fluorescente chimicamente controllabile, che emette una radiazione
rossa se eccitato con raggi UV. Tale complesso è solubile
nell'acqua ed ha recentemente dato luogo ad un'applicazione clinica
per la rilevazione endogena di malattie mediante fluorescenza
in presenza di determinate proteine.
Il controllo ottico della fluorescenza si può realizzare
legando due gruppi attivi mediante un filo molecolare. Una possibile
applicazione è il compact disc riscrivibile, dotato di
funzioni di scrittura (un laser incide i bit rendendoli
potenzialmente fluorescenti), di lettura (eccitazione con un'altra
lunghezza d'onda e rilevazione delle zone fluorescenti) e di cancellazione
(il materiale viene reso non fluorescente da una terza lunghezza
d'onda). Vengono sperimentati a tale scopo i di-aril-eteni recanti
gruppi oligotiofenici o porfirinici.
Al di là delle prime applicazioni, il risultato di queste
ricerche è l'elaborazione concettuale di sistemi elettronici
molecolari costituiti da componenti con attività luminosa,
elettrica o chimica, formati da una o più molecole e associabili
fra di loro su scala nanoscopica. I ricercatori prevedono
in seguito le possibilità di innesto su tessuti viventi,
di autoriparazione o di autocostruzione.
(Fonte: VIPS)