materiali organici funzionali

materiali organici funzionali

materiali orgànici funzionali locuz. sost. m. pl. – Ampia categoria di materiali funzionali (concepiti cioè per svolgere una o più funzioni specifiche) costituiti da molecole organiche. Sebbene tali materiali siano oggetto di ricerca, anche se per lungo tempo di nicchia, da più di 50 anni, è stato soprattutto dagli anni Novanta del 20° sec. che si è registrata una vera e propria esplosione dell’interesse verso questo settore: i materiali organici funzionali hanno infatti aperto la possibilità di sostituire in vari contesti applicativi (in partic. nell’elettronica e nell’optoelettronica, da cui le espressioni, entrate nell’uso, di elettronica e optoelettronica organica) i materiali inorganici tradizionalmente impiegati in molti dispositivi come semiconduttori a base di ossidi, silicio, metalli, arseniuro di gallio e così via. Ciò ha permesso, e permetterà sempre più nel futuro, di produrre un’ampia gamma di dispositivi di nuova generazione che, in presenza di materiali organici funzionali di prestazioni competitive rispetto ai materiali tradizionali, possono risultare significativamente vantaggiosi per es. dal punto di vista delle dimensioni, delle tecniche preparative, dei costi di produzione, delle proprietà meccaniche e ottiche. Tra i vantaggi dei materiali organici funzionali vi è anche quello di poterne governare in modo fine le proprietà in sede di progettazione, combinando la conoscenza avanzata delle relazioni tra struttura molecolare e proprietà (che si avvale in modo crescente dei metodi di valutazione teorico-computazionale) con le moderne tecniche di sintesi chimica. Nel tracciare l’evoluzione del settore, alcuni eventi importanti sono individuabili nella scoperta, avvenuta alla metà degli anni Settanta per merito di A. Heeger, A. Mac Diarmid e H. Shirakawa (ai quali è stato assegnato il premio Nobel per la chimica nel 2000) che il poliacetilene, opportunamente drogato, era in grado di condurre l’elettricità (primo caso di polimero conduttore), e nella presentazione (1987) da parte di C.W. Tang e S.A. van Slyke del primo LED (Light emitting diode) basato su un materiale emettitore metallorganico (un complesso 8-idrossichinolina alluminio). Da allora, lo sviluppo dei dispositivi basati sui materiali organici funzionali ha delineato una suddivisione dei materiali in due ampie categorie: quella dei polimeri e quella delle molecole organiche o metallorganiche semplici (di piccole dimensioni). In quest’ultimo caso spesso le proprietà funzionali sono legate alla presenza nella molecola di orbitali estesi di tipo p (con difetto di elettroni di legame). I materiali utili per le applicazioni possono inoltre presentarsi sia allo stato cristallino sia sotto forma di solidi amorfi. I LED organici (OLED; v. led organici e polimerici) si sono presto rivelati i dispositivi basati su materiali organici funzionali di più immediato impatto a livello tecnologico e oggi trovano largo impiego nei display di molti apparecchi elettronici portatili. Il materiale attivo di un OLED è un composto organico semiconduttore disposto sotto forma di film sottile tra un catodo e un anodo. Applicando una tensione agli elettrodi, si altera la struttura elettronica del materiale organico: l’orbitale molecolare di più bassa energia privo di elettroni nella struttura stabile della molecola (LUMO, Lowest unoccupied molecular orbital) acquisisce un elettrone, mentre nell’orbitale occupato di più alta energia (HOMO, Higher occupied molecular orbital) si determina la formazione di una buca (hole) positiva. La coppia elettrone-buca (eccitone) tende rapidamente a decadere emettendo la radiazione. Nella maggior parte dei casi, tra i due elettrodi vi sono almeno due diversi strati di materiali organici funzionali, uno che agisce da conduttore e uno da elemento emettitore. La preparazione dello strato organico viene in genere effettuata mediante tecniche di deposizione da fase vapore nel caso in cui il materiale sia costituito da molecole organiche piccole; mediante deposizione da soluzione (per es., con la tecnica del rivestimento per rotazione o spin coating) nel caso di polimeri. Una applicazione anch’essa in fase avanzata di studio è quella della produzione di transistor basati su film sottili di materiali organici funzionali (OFET, Organic field effect transistor). Questo campo di applicazione è considerato di grande rilevanza nell’ambito degli sforzi diretti a spingere ulteriormente la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici. Il progresso costante nell’aumento della capacità di elaborazione dei dati dei dispositivi inorganici tradizionali (MOS, Metal-oxide semiconductor) è infatti legato al miglioramento nei processi di miniaturizzazione che, grazie alle tecniche fotolitografiche, hanno permesso di ricavare sempre più transistori sullo stesso wafer di silicio, riducendo allo stesso tempo il costo per transistore di circa un milione di volte in trent’anni. Questo ha portato gli attuali transistori a dimensioni di poche decine di nanometri. Un’ulteriore riduzione delle dimensioni è possibile, ma richiede la sostituzione di alcune componenti, come il sottile strato di SiO₂ con altri isolanti a più elevata costante dielettrica. I costi degli impianti di produzione crescono in modo esponenziale, e comunque si è ormai vicini a raggiungere i limiti fisici al di sotto dei quali non sarà possibile arrivare. Ricorrendo ai nuovi materiali organici funzionali è possibile sfruttare le dimensioni nanometriche delle molecole per sostituirle ai normali transistori. Oltre all’aspetto dimensionale, i sistemi molecolari consentono di confinare gli elettroni in modo più sicuro e di costruire tutti gli elementi tipici di un transistore utilizzando molecole progettate appositamente. Per costruire un cavo, per es., si potrà usare una lunga molecola in cui gli elettroni possano facilmente fluire da un capo all’altro. Inoltre, progettando molecole i cui livelli energetici siano tali da permettere o impedire a comando il movimento di elettroni è possibile regolare il flusso di cariche. Altre applicazioni dei materiali organici funzionali di grande interesse tecnologico, in fase più o meno avanzata, riguardano le celle fotovoltaiche (OPVC, Organic photovoltaic cells, o semplicemente OSC, Organic solar cells), i laser organici e i dispositivi per l’immagazzinaggio di dati.