Des chercheurs de l’Université d’Hokkaido ont mis au point une réaction domino en chimie redox en créant une molécule qui subit des changements structurels pour faciliter les réactions séquentielles. Cette avancée pourrait avoir un impact sur les développements futurs dans les domaines de la nanotechnologie, des batteries à énergie renouvelable et des matériaux aux propriétés électroniques ajustables.
Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à transmettre un effet connu sous le nom de réaction domino en utilisant la chimie redox.
Les réactions dominos se produisent lorsque la transformation d’un groupe chimique stimule la réaction d’un autre groupe attaché, ou d’une autre molécule, conduisant à un effet d’entraînement rapide à travers le système, comme une rangée de dominos qui tombent. Des chercheurs à Université d’Hokkaido Nous avons désormais réalisé le premier exemple de réaction domino dans le domaine de la chimie appelé chimie redox.
Une réaction domino est une série de réactions chimiques où chaque réaction déclenche la réaction suivante de la série, comme la chute de dominos (en haut). Dans une réaction redox domino, chaque réaction provoque un changement structurel qui déclenche la réaction redox suivante de la série (en bas). Crédit : Takashi Harimoto, et al. Angewandte Chemie International Edition. 28 novembre 2023
Comprendre la chimie redox
Le terme redox vient de « réduction », faisant référence au gain d’électrons, et « oxydation », faisant référence à la perte d’électrons. Les réactions redox sont donc des processus de transfert d’électrons.
« Le problème avec la réalisation de réactions dominos dans les processus redox est que le transfert d’électrons, en particulier le transfert multi-électrons, produit des particules chargées électriquement. espèces dont les interactions électrostatiques peuvent inhiber tout changement ultérieur », explique le chimiste Yusuke Ishigaki de l’équipe d’Hokkaido.
La molécule SS-BQD subit une réaction domino-rédox pour donner une forme tétracation du composé (en haut). Cette réaction domino redox est initialement déclenchée par la chaleur, ce qui provoque un changement structurel qui aboutit à une réaction domino redox. Crédit : Takashi Harimoto, et al. Angewandte Chemie International Edition. 28 novembre 2023
Conception moléculaire innovante
Pour surmonter ces obstacles, les chercheurs ont conçu une molécule en deux parties qui subit un changement structurel important lorsqu’une partie est convertie entre ses états électriquement neutre (réduit) et chargé positivement (oxydé). Ce changement structurel transmet un effet chimique à l’autre partie de la molécule qui rend plus probable sa propre oxydation.
La molécule qu’ils ont conçue se compose de deux unités rédox-actives relativement grandes reliées par un lien flexible non plan formé d’atomes de soufre. Lorsque l’une des unités appariées perd des électrons (est oxydée), elle acquiert deux charges positives qui agissent comme un déclencheur provoquant la torsion de l’autre partie de la molécule autour du noyau. Un changement dans l’état des électrons dans cette forme torsadée par rapport à la forme pliée initiale facilite alors le processus d’oxydation dans le groupe voisin, obtenant ainsi l’effet domino.
Takashi Harimoto, premier auteur (à gauche), et Yusuke Ishigaki, auteur correspondant (à droite), devant l’instrument à rayons X (Rigaku XtaLAB Synergy-S). Crédit : Yusuke Ishigaki
Applications potentielles et implications futures
Le premier déclenchement de la réaction peut être initié par une élévation de température, offrant un moyen de contrôle. Bien que cet effet n’ait jusqu’à présent été démontré qu’au sein d’une molécule en deux parties, les chercheurs suggèrent qu’il pourrait éventuellement être utilisé pour transmettre des transformations redox de type onde dans des molécules beaucoup plus grandes avec de nombreuses unités « domino » reliées entre elles.
Les applications de cette découverte pourraient être lointaines dans le futur, mais il existe clairement des possibilités générales. Les transformations électriques et structurelles traversant les chaînes moléculaires pourraient par exemple devenir les pièces mobiles à l’échelle nanométrique des systèmes de calcul chimique et des capteurs. Il existe également des applications possibles dans les nouveaux systèmes de batteries nécessaires pour soutenir la transition en cours vers les technologies d’énergie électrique renouvelable.
« Le contrôle offert par le chauffage et le refroidissement pourrait être utilisé dans de nombreux domaines pour fabriquer de nouveaux matériaux dotés de propriétés électroniques commutables, en particulier ceux impliquant un transfert multi-électrons », explique Ishigaki.
« C’était très difficile, mais aussi très satisfaisant, de démontrer ce que personne n’avait réalisé auparavant, et nous espérons maintenant passer à des systèmes plus grands et plus complexes impliquant un transfert d’électrons accru », conclut Ishigaki.
L’étude a été financée par le ministère japonais de l’Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie, la Société japonaise pour la promotion de la science, l’Agence japonaise pour la science et la technologie, la Fondation pour la promotion de l’ingénierie ionique et le programme de recherche de l’Alliance cinq étoiles en réseau du Centre commun de recherche (NJRC) pour les matériaux et les dispositifs.
