Printing of Bio-Sourced Organic Electronic Materials : The Sepia Melanin Study Case

Today, it is no longer a secret: electrical and electronic equipment were not conceived to be sustainable. Although electronics allow us to access knowledge and extend human lifespans, this comes at a cost. The use of scarce elements, energy-intensive fabrication techniques, and poor end-of-life management lead to an alarming global issue that needs to be addressed. The United Nations proposed a definition of sustainability as ‘meeting the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs.’ The eco-design of electronics proposes to minimize its environmental footprint, from the extraction of materials to the fabrication, the use phase and the end-of-life, doing so by standardized quantification methods, like life-cycle assessment (LCA). A promising route in the eco-design of electronics is based on the use of (i) bio-sourced, abundant organic materials, (ii) energy-efficient production techniques, and (iii) environmentally responsible end-of-life scenarios. Organic electronics, pioneered by the work of Nobel laureates Heeger, MacDiarmid, and Shirakawa, is based on the transition from electronically conjugated molecules to supramolecular materials through π-π stacking that is paralleled by the emergence of extended electronic bands allowing for the conduction of electronic charge carriers. Eumelanin, the dark-brown pigment of the melanin family (from Greek µέλας), is a prototype of benign materials for electronics that have garnered significant attention from the scientific community. Its ubiquity in nature and remarkable physicochemical properties, e.g. broadband UV-vis absorption, metal-ion chelation, red-ox properties, and mixed ionic electronic transport have proven to be of technological relevance for Eumelanin to be considered a multifunctional material for electronics. Sepia melanin, the dark pigment giving its peculiar color to cephalopods’ ink (specifically Sepia Officinalis), has been widely investigated as source of Eumelanin. Formed of peculiar spherical nano-structures, the bio-pigment lacks film processability that strongly hinders its use in electronic devices. This PhD thesis focuses on Sepia melanin as active material for ink formulation in printed electronic.

Résumé

Aujourd'hui, ce n'est plus un secret : les équipements électriques et électroniques n'ont pas été conçus dans une philosophie de durabilité. Bien que l'électronique nous permette d'accéder à la connaissance et de prolonger la durée de vie humaine, cela a un coût non négligeable. L'épuisement des éléments naturellement rares, les techniques de fabrication énergivores et la gestion médiocre de la fin de vie constituent un problème mondial alarmant qui doit être traité. Les Nations unies ont proposé le terme de durabilité, défini par la nécessité de « répondre aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs ». Dans cette optique et en réponse à ces défis, l'objectif de l'éco-conception de l'électronique propose de minimiser l'empreinte environnementale de l'électronique, de l'extraction des matériaux à la fabrication, à la phase d'utilisation et à la fin de vie, et ce par des méthodes de quantification standardisées, telles que l'analyse du cycle de vie (ACV). Une voie prometteuse dans l'éco-conception de l'électronique repose sur l'utilisation de (i) matériaux organiques abondants et biosourcés, (ii) couplée à la mise en œuvre de techniques de production économes en énergie, et (iii) l'exploration de scénarios de fin de vie respectueux de l'environnement. L'électronique organique, initiée par les travaux des lauréats du prix Nobel Heeger, MacDiarmid et Shirakawa, repose sur la transition des molécules conjuguées vers des matériaux supramoléculaires par empilement π-π qui est accompagnée par l'émergence de bandes électroniques étendues permettant la conduction de porteurs de charge électronique dans le matériau. L'eumélanine, le pigment brun-foncé de la famille de la mélanine (du grec µέλας), est un prototype de matériau inoffensif pour l'électronique qui a suscité une attention considérable de la part de la communauté scientifique. Son omniprésence dans la faune et flore et ses propriétés physico-chimiques remarquables, telles que l'absorption UV-vis à large bande, la chélation des ions métalliques, les propriétés redox et le transport mixte ionique et électronique, se sont avérées d'une importance technologique pour que l'eumélanine soit considérée comme un matériau multifonctionnel pour l'électronique.