Les chercheurs ont développé de nouvelles lignes directrices pour la conception moléculaire qui empêchent les électrons de perdre de l'énergie à cause des vibrations atomiques. Ces innovations promettent de révolutionner l’efficacité des molécules organiques utilisées dans les OLED, les capteurs et l’imagerie biomédicale. Crédit : Issues.fr.com
De nouvelles règles de conception moléculaire découvertes grâce à des techniques spectroscopiques laser permettent de dissocier les électrons des vibrations atomiques, conduisant à des performances considérablement améliorées dans des applications telles que les OLED et l'imagerie biomédicale.
Depuis la découverte de la mécanique quantique il y a plus de cent ans, on sait que les électrons des molécules peuvent être couplés au mouvement des atomes qui composent les molécules. Souvent appelé vibrations moléculaires, le mouvement des atomes agit comme de minuscules ressorts soumis à un mouvement périodique.
Pour les électrons de ces systèmes, être reliés à la hanche par ces vibrations signifie qu'ils sont également constamment en mouvement, dansant au rythme des atomes, sur des échelles de temps d'un millionième de milliardième de seconde. Mais toute cette danse entraîne une perte d’énergie et limite les performances des molécules organiques dans des applications telles que les diodes électroluminescentes (OLED), les capteurs infrarouges et les biomarqueurs fluorescents utilisés dans l’étude des cellules et pour le marquage de maladies telles que les cellules cancéreuses.
Percée dans la conception moléculaire
Aujourd'hui, des chercheurs utilisant des techniques spectroscopiques laser ont découvert de « nouvelles règles de conception moléculaire » capables d'arrêter cette danse moléculaire. Leurs résultats, rapportés dans Naturea révélé des principes de conception cruciaux qui peuvent arrêter le couplage des électrons aux vibrations atomiques, arrêtant ainsi leur danse trépidante et propulsant les molécules pour atteindre des performances inégalées.
Illustration d'artiste d'une propriété d'émission de lumière d'une molécule organique modulée par la danse quantique des atomes. Crédit : Pratyush Ghosh, Laboratoire Cavendish, Université de Cambridge, édité
« Toutes les molécules organiques, telles que celles trouvées dans les cellules vivantes ou dans l'écran de votre téléphone, sont constituées d'atomes de carbone connectés les uns aux autres via une liaison chimique », a déclaré Pratyush Ghosh, doctorant à Cavendish, premier auteur de l'étude et membre de St John's. Collège.
« Ces liaisons chimiques sont comme de minuscules ressorts vibrants, généralement ressentis par les électrons, altérant les performances des molécules et des dispositifs. Cependant, nous avons maintenant découvert que certaines molécules peuvent éviter ces effets néfastes lorsque nous limitons la structure géométrique et électronique de la molécule à certaines configurations spéciales.
Pour démontrer ces principes de conception, les scientifiques ont conçu une série de molécules efficaces émettant dans le proche infrarouge (680-800 nm). Dans ces molécules, les pertes d’énergie résultant des vibrations – essentiellement des électrons dansant au rythme des atomes – étaient plus de 100 fois inférieures à celles des molécules organiques précédentes.
Cette compréhension et le développement de nouvelles règles pour concevoir des molécules électroluminescentes ont ouvert une trajectoire extrêmement intéressante pour l’avenir, où ces observations fondamentales peuvent être appliquées aux industries.
Applications potentielles et orientations futures
« Ces molécules ont également aujourd’hui un large éventail d’applications. La tâche consiste désormais à appliquer nos découvertes pour créer de meilleures technologies, depuis des écrans améliorés jusqu'à des molécules améliorées pour l'imagerie biomédicale et la détection des maladies », a conclu le professeur Akshay Rao du laboratoire Cavendish, qui a dirigé cette recherche.
