Des chercheurs créent de nouvelles molécules qui servent de tyroliennes pour l’énergie –
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Au 19e siècle, la communauté scientifique se demandait comment les atomes du mystérieux composé benzène étaient disposés. Cette molécule “aromatique” s’est rapidement avérée avoir une structure étonnamment simple : elle se composait de six atomes de carbone et de six atomes d’hydrogène. Mais comment ces douze atomes pourraient-ils s’arranger dans l’espace pour former un objet chimiquement stable ? Le chimiste Friedrich August Kekulé, plus tard professeur à l’Université de Bonn, a apporté la lumière dans les ténèbres. La légende raconte qu’il somnolait près de la cheminée pendant l’hiver 1861. Kekulé eut soudain la vision d’un serpent dévorant sa propre queue. Il s’est rendu compte que les atomes de carbone du benzène doivent être organisés en cercle, semblable à une petite roue de chariot.
“Ce rêve a finalement jeté les bases de l’expansion massive de l’industrie chimique vers la fin du XIXe siècle”, déclare le professeur Sigurd Höger de l’Institut de chimie organique et de biochimie de Kekulé à l’Université de Bonn, qui est membre du Domaine de recherche transdisciplinaire “Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions” à l’Université de Bonn. Le benzène est un élément important pour les peintures, les produits pharmaceutiques et les plastiques, par exemple.
Des centaines d’anneaux de benzène en forme d’échelle
Bien que la roue soit souvent présentée comme la plus ancienne invention de l’humanité, l’échelle est en fait un peu plus ancienne. Les successeurs de Kekulé à l’université de Bonn rêvaient depuis longtemps de molécules en forme d’échelle, constituées de centaines d’anneaux benzéniques. Les chercheurs de l’Institut Kekulé et du Centre Mulliken de chimie théorique de l’Université de Bonn, ainsi qu’une équipe dirigée par le professeur John Lupton de l’Institut de physique expérimentale et appliquée de l’Université de Ratisbonne, ont maintenant construit une telle échelle moléculaire. . Il s’agit d’une molécule avec deux pistes de soi-disant “polymères conjugués”, dans lesquels des liaisons simples et doubles alternent entre les atomes de carbone. Ils constituent les rails auxquels vous vous accrochez lorsque vous grimpez sur une échelle ordinaire.
Les chercheurs ont d’abord conçu un composé précurseur qui ne contenait qu’une seule chaîne polymère et des groupes polymérisables attachés – un “serpent” flexible. Pour une partie du matériel, le deuxième rail de l’échelle a ensuite été formé lors d’une étape ultérieure au moyen d’une réaction de fermeture à glissière, un peu comme lors de la fermeture d’un anorak. De cette façon, en plus du polymère avec un seul rail conjugué, l’équipe a obtenu un polymère avec deux rails conjugués – l'”échelle” rigide. Les deux polymères étaient de longueur égale et pouvaient désormais être comparés l’un à l’autre : comment transformer un serpent en échelle affecterait-il les propriétés du matériau ?
Les chercheurs ont examiné la structure à l’aide d’un microscope à effet tunnel. La minuscule échelle moléculaire mesure un nanomètre (un millionième de millimètre) de haut, deux nanomètres de large et cent nanomètres de long. Les chimistes ont également confirmé la forme et l’extraordinaire rigidité des échelles – par rapport aux serpents – grâce à des simulations informatiques approfondies utilisant une nouvelle théorie qui prédit les mouvements individuels de tous les atomes au sein de la molécule.
Bloc de construction potentiel pour l’électronique
“La structure en échelle est conservée non seulement lorsque les molécules sont placées sur une surface, mais également lorsqu’elles sont dissoutes dans un liquide”, explique le professeur Lupton de l’Université de Ratisbonne. Cette caractéristique, ajoute-t-il, permet à l’énergie de se déplacer le long de la molécule dans l’espace, fournissant un bloc de construction potentiel pour les réseaux optiques, les circuits et les capteurs.
En principe, ces polymères conduisent les courants électriques et peuvent être utilisés pour fabriquer de nouveaux affichages basés sur des diodes électroluminescentes organiques (OLED) ou pour convertir la lumière en électricité dans une cellule solaire. Lorsque la lumière tombe sur une telle molécule, elle est absorbée et produit un petit paquet d’énergie. Les chercheurs ont pu observer comment ces colis se déplaçaient le long de l’échelle pratiquement sans entrave, comme sur une tyrolienne. Les polymères ouverts ressemblant à des serpents, en revanche, ne présentent pas cet effet. Leurs propriétés sont similaires à celles des molécules polymères classiques : les emballages glissent le long des “serpents” et perdent de l’énergie.
Le rêve brisé de Kekulé
“Alors que le vieux Kekulé ‘voyait’ la molécule unique comme un anneau, il n’a certainement jamais rêvé qu’il y aurait un jour des molécules géantes d’une telle rigidité qu’elles sont incapables de se mordre la queue”, explique Höger, résumant le résultat avec un clin d’œil.
Vidéo de simulation informatique de molécules : https://www.youtube.com/watch?v=PgBQ4pOKlE0
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université de Bonn. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
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