Les plantes ont maîtrisé l'art de récolter la lumière du soleil il y a des milliards d'années, en utilisant des anneaux élégants de pigments dans leurs feuilles. Maintenant, les chercheurs de l'Université métropolitaine d'Osaka ont fait une étape majeure vers l'imitation de cette architecture feuillue avec des molécules de fabrication humaine qui s'auto-assemblent dans des anneaux empilés où la charge et l'énergie peuvent circuler librement, tout comme dans la photosynthèse.
Leur conception ouvre la voie à de nouvelles approches de la capture de la lumière, du transport d'énergie et de l'électronique de nouvelle génération. L'étude est publiée dans Édition internationale d'Angewandte Chemie.
Dans les organismes photosynthétiques, les molécules de pigment forment des antennes en forme d'anneau pour absorber efficacement la lumière. Une caractéristique clé de ce système est la conjugaison toroïdale, un phénomène dans lequel l'énergie et la charge s'écoulent en continu autour de l'anneau. Imitant cette astuce intelligente, par exemple, dans les cellules solaires – des appareils qui convertissent la lumière du soleil directement en électricité – se présente pour augmenter considérablement les performances, mais le chemin vers le succès a été un long voyage.
« Les versions artificielles de la conjugaison toroïdale se sont limitées aux molécules uniques », a déclaré Daisuke Sakamaki, professeur agrégé à la Graduate School of Science de l'Université Metropolitan et auteur de l'étude.
En prenant une approche « plus, la joyeux », l'équipe visait à concevoir des structures dans lesquelles plusieurs molécules sont assemblées dans un anneau, comme on le voit dans la nature.
En utilisant des phtalocyanines – composés aromatiques courants dans les colorants et les cellules solaires – les chercheurs ont conçu des molécules plates de type colorant avec huit extensions verticales en forme de pilier qui transfèrent facilement les électrons.
Ces molécules s'auto-assemblent naturellement par paires, avec leurs piliers entrelacer comme des engrenages pour former un anneau bien emballé de 16 couches empilées. Cette structure circulaire rapproche les surfaces plates suffisamment proches pour que les électrons et l'énergie se déplacent librement autour de la boucle, faisant écho à la conception des complexes de récolte légère de la nature.
La cristallographie aux rayons X a confirmé la formation de cycle, tandis que les études spectroscopiques et théoriques ont révélé que l'énergie et la charge pouvaient circuler à travers la structure dans des états chargés et excités.
« Il s'agit de la première preuve claire de la conjugaison toroïdale intermoléculaire », a déclaré Sakamaki. « Non seulement cela confirme que la charge et l'énergie peuvent circuler dans de tels assemblages, mais cela réinvente également la façon dont nous pensons à l'utilisation de phtalocyanines – des matériaux avec plus d'un siècle d'histoire. »
La technique de l'équipe montre que des systèmes d'énergie naturelle complexes peuvent être conçus en utilisant des blocs de construction moléculaires relativement simples et des principes d'auto-assemblage. Cela peut conduire à une meilleure compréhension des mécanismes similaires à la photosynthèse et au développement de la production d'énergie avancée.
« Notre plan est d'étendre cette approche à différents types de molécules, visant à concevoir une plus grande variété de systèmes conjugués pour les futures applications d'énergie et d'optoélectronique », a déclaré Sakamaki.
