The Biopigment Eumelanin in the Sustainability Challenge: Interfaces With Metal Electrodes, UV-Absorption Enhancement of Plastics and its Biodegradability

L'Organisation des Nations Unies (ONU) définit le développement durable comme la capacité d'une génération de satisfaire ses propres besoins « sans compromettre la possibilité des générations suivantes de satisfaire les leurs ». Le domaine de l'électronique est marqué par la croissance effrénée des déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) et par l'épuisement des ressources nécessaires à la fabrication des EEE. L'utilisation de matériaux organiques (constitués de carbone) naturels (biosourcés), biodégradables et traités à l'aide de solvants non toxiques, est alors une solution à considérer pour réduire l'empreinte écologique de l'électronique. L'eumélanine, sous-catégorie noire/marron de la mélanine (pigment omniprésent dans la faune et la flore), présente une absorption optique étendue sur les spectres ultraviolet (UV) et visible, une réponse électrique dépendante du niveau d'hydratation, des propriétés de chélation des métaux et de piégeage des radicaux ainsi qu'une structure moléculaire qui comporte des groupements fonctionnels redox. L'eumélanine est donc un matériau prometteur dans l'électronique organique verte. L'électronique organique utilise des matériaux conducteurs ou semiconducteurs à base de carbone, qui présentent une alternance de liaisons simples et doubles carbone-carbone (systèmes conjugués). Ces matériaux, outre leur flexibilité mécanique, peuvent être traités en solution. Les dispositifs à base de matériaux organiques se distinguent, par conséquent, par leur faible énergie intrinsèque (l'énergie consommée pendant leur fabrication), comparés à la majorité des dispositifs à base de matériaux inorganiques pour lesquels le processus de fabrication implique de hautes températures et des très baisses pressions (vide élevé). Les efforts pour rendre le développement plus durable concernent aussi les matériaux organiques isolants (plastiques) pour les emballages et leurs additifs nécessaires pour améliorer certaines propriétés telles que la stabilité thermique et l'absorption des rayons UV. Le coeur de cette thèse est consacré à l'étude de plusieurs propriétés fonctionnelles de l'eumélanine dans le cadre d'une utilisation potentielle dans les technologies liées à l'électronique organique verte ainsi que dans le domaine des additifs plus respectueux de l'environnent pour les plastiques. Le Chapitre 1 présente la mélanine, avec une attention particulière portée à l'eumélanine et ses propriétés.

Abstract

The United Nations define sustainability as the ability to meet one generation's needs “without compromising the ability of future generations to meet their own needs”. The field of electronics features a dramatic increase of waste electrical and electronic equipment (WEEE) and the depletion of key elements necessary for EEE fabrication. The use of biodegradable organic (carbon-based) materials extracted from natural sources (bio-sourced) and processed with non-toxic solvents represents a valuable option to alleviate the environmental footprint of the electronic sector. Eumelanin, a dark-brown subcategory of melanins (a ubiquitous biopigment in flora and fauna), features broad ultraviolet-visible absorption, hydration-dependent electrical response as well as metal chelation, radical scavenging and redox activity. Eumelanin is a promising candidate in the field of green (sustainable) organic electronics. Organic (plastic) electronics is based on carbon-based conducting and semiconducting polymers and small molecules that feature conjugation (alternance of single and double carbon-carbon bonds) in their molecular structure. In addition of being mechanically flexible, devices based on organic electronic materials can be solution-processable and thus stand for their lower embodied energy (i.e. “energy spent in the production phase and stored in the inner constituents”) with respect to most inorganic ones, which are processed at high-temperature and under high-vacuum conditions. Sustainability is an issue also in the field of (non-conducting) plastics for packaging, where it concerns not only the packaging polymers but also the additives needed to enhance certain properties, such as thermal stability or ultraviolet (UV) radiation absorption. The core of this PhD thesis is devoted to the study of a number of functional properties of eumelanin in view of its use in sustainable organic electronic technologies as well as a greener additive for plastic packaging. Chapter 1 gives an overview on melanins, with a focus on the subcategory eumelanin and its properties. Chapter 2 provides a review of the state of the art of the potential applications of eumelanin demonstrated in the literature. Chapter 3 details the targets of the research: the investigation of eumelanin-metal interfaces under bias, the study of eumelanin as an additive for plastics and the assessment of eumelanin's biodegradability. Chapter 4 briefly explains the characterization techniques used.