Structure électronique des composés d'origine naturelle et de leurs dérivés pour application en électronique organique

Electronic structure of compounds of natural origin and their derivatives for application in organic electronics

• Auteur / Autrice : João Paulo Cachaneski Lopes
• Direction : Didier Bégué, Augusto Batagin-Neto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie polymères
• Date : Soutenance le 29/10/2025
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Universidade estadual paulista (São Paulo, Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau)
• Jury : Président / Présidente : Clarissa De Almeida Olivati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Bégué, Augusto Batagin-Neto, Paula Homem-De-Mello, Marystela Ferreira, Christine Dagron-Lartigau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paula Homem-De-Mello, Marystela Ferreira
• DOI : 10.70675/ce77b512z4c23z4958z9552z235f7725e5d2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mélanine

Cellules solaires organiques

Théorie de la fonctionnelle de densité

Mots clés libres

Composés à base de mélanine

Détection de nitroaromatiques

Cellules solaires organiques

Théorie de la fonctionnelle de densité (DFT)

Matériaux durables

Melanin-Based compounds

Nitroaromatic detection

Organic solar cells

Density functional theory (DFT)

Sustainable materials

Résumé

L'intégration de composés naturels dans les matériaux suscite un intérêt croissant en chimie, en raison de leurs avantages à la fois pratiques et économiques. Bien que des travaux antérieurs aient mis en évidence des modifications de la stabilité et des propriétés optoélectroniques de certains de ces matériaux fonctionnalisés, des informations détaillées concernant leurs caractéristiques à l'échelle moléculaire ainsi que les mécanismes fonctionnels associés à ces ajouts demeurent encore limitées. Dans cette thèse, l'objectif a été d'étudier des composés bio-inspirés à base de mélanine pour une application dans les capteurs chimiques et les cellules solaires organiques, à travers des calculs de structure électronique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Deux axes principaux ont été explorés : i) la faisabilité de composés à base de vanilline pour la détection des nitroaromatiques (NAC) et ii) la proposition/évaluation des performances de composés inspirés de la mélanine en tant qu'accepteurs/donneurs dans des cellules solaires organiques à hétérojonction en volume. Le premier axe étudie l'interaction entre des systèmes à base de mélanine et des NACs, en examinant leurs propriétés électroniques, optiques, structurelles et de stabilité. Les résultats montrent que les dérivés de la mélanine présentent une sensibilité élevée à ces analytes, permettant une détection chimique sélective, réversible, peu coûteuse et respectueuse de l'environnement. Concernant le second axe, une série de molécules donneuses et accepteurs basées sur des dérivés du composé Y6 et des motifs inspirés de l'eumélanine a été proposée et étudiée. Nos résultats indiquent que des groupes terminaux dérivés de la mélanine peuvent conférer des propriétés optiques et électroniques uniques, permettant la conception de matériaux accepteurs performants, tandis que des oligomères de type eumélanine apparaissent comme des donneurs prometteurs. Ces résultats soulignent comment des modifications chimiques bio-inspirées peuvent améliorer à la fois l'efficacité et la durabilité de la prochaine génération de composés dans l'électronique organique.

The incorporation of natural compounds into materials is attracting increasing interest in chemistry, owing to their practical and economic advantages. Although previous studies have highlighted changes in the stability and optoelectronic properties of some of these functionalized materials, detailed insights into their molecular-scale characteristics and the underlying functional mechanisms of such additions are still lacking. In this thesis our focus was the investigation of bioinspired melanin-based compounds for application in chemical sensors and photovoltaics via density functional theory (DFT)-based electronic structure calculations. Two main topics have been investigated: i) the feasibility of vanillin-based compounds for nitroaromatics (NACs) detection and ii) proposition/performance evaluation of melanin-inspired compounds as acceptors/donors in bulk heterojunction organic solar cells. The first topic explores the interaction between melanin-based systems and NACs by examining electronic, optical, structural, and stability properties. The results reveal that melanin derivatives exhibit high sensitivity to these analytes, enabling selective, reversible, cost-effective, and environmentally friendly chemical detection. In relation to the second topic, a series of donor and acceptor molecules based on Y6 derivatives and eumelanin-inspired motifs was proposed and investigated. Our results show that melanin-based end groups can impart unique optical and electronic properties, enabling high-performance acceptor materials, while eumelanin-like oligomers emerge as promising donor candidates. These findings highlight how bio-inspired chemical modifications can enhance both the efficiency and sustainability of next-generation organic electronics.