Les chimistes de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont synthétisé une nouvelle classe de nanostructures de carbone: des nanobelts de carbone non alternatifs entièrement conjugués au pentagone (CNB). Cette réalisation relève un défi de longue date de la conception moléculaire et ouvre des voies pour les semi-conducteurs organiques de nouvelle génération et les matériaux quantiques.
Dirigée par le professeur agrégé Chi Chunyan du Département de chimie, NUS, l'équipe de recherche a développé des CNB avec des cadres de carbone non alternatifs qui permettent une délocalisation électronique améliorée et des propriétés électroniques uniques. L'œuvre a été publiée dans la revue Synthèse de la nature.
Les CNB sont des molécules de carbone en forme d'anneau qui ressemblent à de courts segments de nanotubes de carbone. La plupart des CNB signalés précédemment sont constitués de bagues de benzène disposées d'une manière qui restreint le flux d'électrons aux régions localisées. Pour surmonter cette limitation, l'équipe NUS a incorporé des unités de cyclopentadiényle à cinq membres, des structures non alternantes qui introduisent la courbure et la déformation modérée tout en permettant aux électrons de se déplacer plus librement à travers la molécule.
Le professeur agrégé Chi a déclaré: « Notre objectif était de créer des CNB qui sont non seulement structurellement nouveaux mais aussi fonctionnels électroniquement. L'intégration d'unités non alternantes était la clé pour débloquer de nouvelles propriétés électroniques. »
Les chercheurs ont créé ces nouveaux nanobelts grâce à un processus chimique en plusieurs étapes soigneusement conçu. Ils ont commencé par assembler des blocs de construction moléculaires en utilisant une réaction Diels-Alder, suivi d'une étape clé qui a éliminé les atomes d'oxygène pour former des structures annulaires stables et entièrement conjuguées.
Cette méthode a produit avec succès deux nanobelts de carbone qui émettent un feu rouge vif sous illumination ultraviolette et présentent de petits écarts d'énergie. Ces caractéristiques les rendent très adaptés à une utilisation dans les diodes émettantes organiques et les cellules solaires.
L'un des CNB résultant peut également être chimiquement oxydé sous une forme chargée qui présente un état fondamental de singulet à coque ouverte, une configuration électronique inhabituelle liée à l'aromaticité globale. Des études théoriques suggèrent que cet état se comporte comme deux annulénes de type lâche (32) avec une aromaticité de type Baird le long de ses bords, offrant de nouvelles perspectives sur le comportement chargé et spin dans les systèmes de carbone incurvés.
« Nos découvertes fournissent une nouvelle plate-forme pour explorer le comportement d'électrons corrélé dans les systèmes à base de carbone. Cela représente un pas en avant significatif dans la réinvention de la façon dont nous concevons et utilisons des nanostructures de carbone dans les technologies futures », a ajouté le professeur agrégé Chi.
