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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Un hygromètre supramoléculaire

Des chercheurs du Laboratoire de nanochimie de l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (CNRS / Université de Strasbourg), en collaboration avec le Conseil national de la recherche de Bologne (Italie) et l’Institut Max-Planck de recherche sur les polymères de Mayence (Allemagne), ont conçu et réalisé un capteur d’humidité résistif à partir d’une dyade donneur–accepteur amphiphile qui s’auto-assemble par exposition à la lumière visible en un empilement π–π de fibres électroactives. Un tel hygromètre supramoléculaire présente des caractéristiques uniques comme une sensibilité et une sélectivité très élevées, une réversibilité totale et une réponse ultra-rapide. Ces travaux font la couverture de la revue Advanced Materials.

 

Les capteurs d’humidité sont d’une importance capitale dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques et sont couramment utilisés dans les industries, les hôpitaux et pour la surveillance environnementale. De multiples matériaux peuvent être employés comme composants actifs pour détecter l’eau dans l’environnement (polymères, matériaux à base de carbone, composites). Comme la détection se fait par reconnaissance moléculaire, la sensibilité peut en principe être améliorée en utilisant des structures de basse dimension présentant une grande surface entièrement décorée avec des récepteurs. D’autre part, la conception de molécules amphiphiles permet d’atteindre un degré d’ordre élevé au niveau supramoléculaire (par ségrégation de phase sub-nanomètrique entre les fragments hydrophiles et hydrophobes) et de moduler les propriétés des matériaux électroniques organiques. Des molécules amphiphiles avec des noyaux π-conjugués étendus offrent d’excellences propriétés optoélectroniques (transport de charge, émission de lumière, etc.) associées à des nanostructures caractéristiques. De plus, les dyades donneur-accepteur (D–A) sont des systèmes moléculaires bien connus qui peuvent s’auto-assembler en formant des fibres présentant de bonnes propriétés (photo)électriques, ce qui en fait des composants intéressants pour des applications en (opto)électronique (transistors à couches minces, cellules photovoltaïques, diodes électroluminescentes).

Les chercheurs viennent de réaliser l’auto-assemblage déclenché par la lumière d’une dyade D–A amphiphile basée sur un squelette conjugué comprenant des unités tétrathiophène (4T) et pérylènediimide (PDI) reliées entre elles par une entretoise rigide de type alcyne. Ce composé est stable pendant plusieurs mois en solution dans un mélange tétrahydrofurane/eau. En particulier, la solution conserve sa couleur orange et ne présente pas de traces de précipité si elle stockée dans l’obscurité. Après dépôt sur un substrat de silice, seuls des films amorphes sont obtenus. Lorsque cette solution est exposée à la lumière, un changement de couleur vers le rose clair est observé. Une étude microscopique en fonction de la durée d’exposition a donc été menée pour étudier ce processus sur une plus petite échelle. La microscopie à force atomique (AFM) a révélé la formation de nanorubans de quelques centaines de nanomètres de longueur orientés aléatoirement sur la surface de silice après quelques minutes d’irradiation. Après une exposition prolongée à la lumière, des faisceaux de rubans hautement orientés sont obtenus et apparaissent comme des réseaux macroscopiques de fibres avec un aspect dendritique de plusieurs millimètres de long. Il est intéressant de noter que la présence d’eau est cruciale pour permettre la formation de fibres. L’exposition prolongée de solutions de PDI–4T dans différents solvants organiques ne conduit en effet pas à la formation de structures fibrillaires.

Ces architectures unidimensionnelles ultra-longues présentent une couche externe composée de fragments hydrophiles de type éthylène glycol et une distance d’empilement π–π qui diminue lorsque l’humidité augmente. La diminution de la distance π–π conduit à l’augmentation exponentielle du transport de charge dans les rubans et donc de la conductivité des structures auto-assemblées. Ainsi, la conductivité peut être modulée en fonction de l’humidité relative de l’environnement, ce qui permet d’utiliser ce système comme un capteur organique d’humidité de type résistif. Il est intéressant de noter que le processus d’adsorption et de désorption d’eau sur la surface des fibres est totalement réversible. Une fois déposées sur des surfaces solides, ces structures possèdent une sélectivité élevée pour l’eau présente dans l’environnement : le capteur résistif montre une réponse ultra-rapide et une sensibilité extrêmement élevée. En faisant varier l’humidité relative de 0 à 75%, le courant mesuré passe de quelques picoampères à plusieurs dizaines de miliampères. Cette variation de courant sur plus de 7 ordres de grandeur est la plus élevée rapportée dans la littérature pour des capteurs d’humidité résistifs à base de molécules organiques. De plus, le temps de réponse de 26 ms est cohérent avec les meilleures valeurs récemment publiées pour des capteurs capacitifs à base de films continus d’oxyde de graphène (30 ms) et pour des capteurs résistifs intégrant des fibres organiques (10 ms). Les chercheurs travaillent actuellement sur l’intégration de ces architectures dans des capteurs flexibles.

 

 

samori

@ Paolo Samori

 

Référence

Marco A. Squillaci, Laura Ferlauto, Yulian Zagranyarski, Silvia Milita, Klaus Müllen et Paolo Samorì

Self-Assembly of an Amphiphilic π-Conjugated Dyad into Fibers: Ultrafast and Ultrasensitive Humidity Sensor

Adv. Mater.14 avril 2015
DOI : 10.1002/adma.201500940 (article)

et 10.1002/adma.201570140 (couverture)


Contact chercheur

Paolo Samorì, Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires  – Strasbourg

Tél. : 03 68 85 51 60

Courriel : samori@unistra.fr

http://www.nanochemistry.fr/

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

12 juin 2015

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