Alignement moléculaire de composantes organiques (semi)conductrices pour les matériaux fonctionnels imprimés en 3D

Afin de contribuer à la création de la prochaine génération de technologies qui relèveront les défis les plus importants de notre société, il faut étudier à la fois des matériaux et des techniques de fabrication qui sont durables. Dans ce contexte, mieux comprendre les principes moléculaires qui sont en jeu lors de la fabrication additive (impression 3D) des matériaux polymères fonctionnels, dont les polymères organiques (semi)conducteurs (OSC) est essentiel. Le défi consiste à établir des relations structure-mise en forme-propriétés pour des polymères semi-conducteurs organiques imprimés en 3D, afin de mieux comprendre et de contrôler leur microstructure. Cette dernière, dictée entre autres par la technique de mise en forme sélectionnée, déterminent les propriétés de transport de charges du matériau, qui doivent être pertinentes pour les applications technologiques visées.

Dans la plupart des cas, l’alignement moléculaire est recherché pour faciliter le transport de charges dans les matériaux OSC. Les techniques de mise en forme impliquant un alignement mécanique (cisaillement) et/ou induit par des stimuli sont efficaces pour préparer des matériaux sous forme de films minces, avec un alignement préférentiel de leurs composantes. Cet alignement est aussi obtenu lorsque des composants anisotropes, tels que des cristaux liquides polymères, sont utilisés. Dans ce projet, nous exploiterons la synergie de ces deux approches pour exploiter le plein potentiel des matériaux OSC imprimés en 3D. L’objectif de ce projet est de comprendre et de contrôler l’impact des approches liées au design moléculaire et aux techniques de mise en forme sur la microstructure des OSC imprimés en 3D.

Pour atteindre cet objectif, un système modèle à base de PBTTT, qui a un comportement cristal liquide polymère, est sélectionné. Ce système sera imprimé en 3D en utilisant des techniques impliquant différents types de contraintes mécaniques lors de l’extrusion de ce système modèle fondu. La composition et les propriétés rhéologiques du système seront d’abord étudiées. Ces études seront complétées par des mesures rhéo-IR pour corréler le comportement macroscopique à celui moléculaire de la matière fondue sous contraintes mécaniques. La microstructure résultante des échantillons imprimés en 3D sera caractérisée puis corrélée à ses propriétés de transport de charge. Enfin, comme preuve de concept, le PBTTT sera dopé lors de l’impression 3D pour améliorer sa conductivité électrique, afin d’évaluer si les stratégies développées dans ce projet pourraient être exploitées pour préparer des matériaux dotés de propriétés thermoélectriques (conversion du gradient de chaleur en électricité).

Ce projet combine de manière originale les concepts d’assemblage moléculaire, d’alignement et les techniques de caractérisation de pointe pour établir des relations structure-mise en forme-propriété dans les polymères OSC imprimés en 3D. Les résultats de ce projet mèneront à des règles de design et de mise en forme plus rationnelles pour obtenir le niveau d’organisation moléculaire désiré dans les matériaux imprimés en 3D. Ce projet contribuera au développement de l’écosystème de la fabrication additive québécois, en plus de stimuler le secteur des matériaux de pointe. Il positionnera le Québec comme un acteur clé dans l’utilisation innovante des matériaux polymères fonctionnels pour des applications technologiques durables.