Des chercheurs de l’Université de l’Illinois ont fait progresser notre compréhension des matériaux semi-conducteurs en explorant la chiralité. Leur étude, dirigée par le professeur Ying Diao, s’est penchée sur la modification de polymères non chiraux pour produire des structures chirales. Cette recherche a des implications pour le développement de technologies innovantes et met en évidence la complexité et le potentiel des matériaux chiraux.
Une nouvelle étude menée par des chimistes de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign apporte un nouvel aperçu du développement de matériaux semi-conducteurs capables de faire des choses que leurs homologues traditionnels en silicium ne peuvent pas faire : exploiter le pouvoir de la chiralité, une image miroir non superposable.
Chiralité dans la nature
La chiralité est l’une des stratégies naturelles utilisées pour créer de la complexité dans les structures. ADN la double hélice est peut-être l’exemple le plus reconnu – deux chaînes moléculaires reliées par un « squelette » moléculaire et tordues vers la droite.
Dans la nature, les molécules chirales, comme les protéines, canalisent l’électricité très efficacement en transportant sélectivement les électrons de même direction de spin.
Recherche sur l’imitation de la chiralité de la nature
Les chercheurs travaillent depuis des décennies pour imiter la chiralité naturelle dans des molécules synthétiques. Une nouvelle étude, dirigée par le professeur de chimie chimique et biomoléculaire Ying Diao, étudie dans quelle mesure diverses modifications d’un polymère non chiral appelé DPP-T4 peuvent être utilisées pour former des structures hélicoïdales chirales dans des matériaux semi-conducteurs à base de polymère. Les applications potentielles incluent les cellules solaires qui fonctionnent comme des feuilles, les ordinateurs qui utilisent les états quantiques des électrons pour calculer plus efficacement et les nouvelles techniques d’imagerie qui capturent des informations en trois dimensions plutôt qu’en 2D, pour n’en nommer que quelques-unes.
Micrographie optique montrant la phase cristal liquide chirale d’un polymère que les chercheurs explorent pour produire des matériaux semi-conducteurs hautement efficaces.
Crédit : Image fournie par le laboratoire Ying Diao
Les résultats de l’étude sont rapportés dans la revue ACS Science centrale.
Résultats de l’étude et expérimentation
« Nous avons commencé par penser qu’apporter de petites modifications à la structure de la molécule DPP-T4 – obtenues en ajoutant ou en modifiant les atomes connectés au squelette – modifierait la torsion, ou la torsion de la structure, et induirait une chiralité », a déclaré Diao. « Mais nous avons vite découvert que les choses n’étaient pas si simples. »
En utilisant la diffusion des rayons X et l’imagination, l’équipe a découvert que leurs « légers ajustements » provoquaient des changements majeurs dans les phases du matériau.
« Ce que nous avons observé est une sorte d’effet Boucle d’or », a déclaré Diao. « Habituellement, les molécules s’assemblent comme un fil torsadé, mais tout à coup, lorsque nous tordons la molécule jusqu’à une torsion critique, elles commencent à s’assembler en de nouvelles mésophases sous la forme de plaques ou de feuilles plates. En testant dans quelle mesure ces structures pouvaient plier la lumière polarisée – un test de chiralité – nous avons été surpris de découvrir que les feuilles peuvent également se tordre en structures chirales cohésives.
Comprendre le comportement des polymères et ses implications futures
Les découvertes de l’équipe mettent en lumière le fait que tous les polymères ne se comporteront pas de la même manière lorsqu’ils seront modifiés dans le but d’imiter le transport efficace des électrons dans les structures chirales. L’étude rapporte qu’il est essentiel de ne pas négliger les structures complexes de mésophase formées pour découvrir des phases inconnues pouvant conduire à des propriétés optiques, électroniques et mécaniques inimaginables auparavant.
Jianguo Mei, professeur à l’Université Purdue, et Xuyi Luo, étudiant diplômé, ont synthétisé les polymères utilisés dans cette étude. Diao est également affilié à la science et à l’ingénierie des matériaux, à la chimie, au Laboratoire de recherche sur les matériaux et au Beckman Institute for Advanced Science and Technology de l’Illinois.
L’Office of Naval Research, l’Air Force Office of Scientific Research, la National Science Foundation et le Département américain de l’Énergie ont soutenu cette recherche.
