Un nouvel éclairage pour les LED inspiré des machines moléculaires
Publié par Redbran le 26/01/2018 à 12:00
Source et illustrations: CNRS-INC

Certains complexes de cuivre(I) ont joué un rôle majeur dans le développement de molécules entrelacées pour l'élaboration de machines moléculaires, les caténanes, les rotaxanes et les nœuds. Une recherche pour laquelle Jean-Pierre Sauvage notamment a reçu le Prix Nobel 2016. Mais quelles pourraient être les applications de ces fameuses molécules ? Dans une publication récente dans la revue Journal of the American Chemical Society, des chercheurs du Laboratoire de Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) des Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) Moléculaires et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens...) et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou industrielle.) supramoléculaires (CNRS/Université de Strasbourg) et du Laboratoire de Chimie de Coordination du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) lancent une piste. Les complexes de cuivre(I) pourraient être exploités pour préparer des matériaux luminescents indispensables pour concevoir des diodes électroluminescentes (LED) performantes.

Les diodes électroluminescentes (LED) sont composées de semi-conducteurs dans lesquels on a inséré des impuretés (on parle de dopage). Ces impuretés font perdre de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) aux électrons de la couche émettrice de la LED: cette énergie est libérée sous forme de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...). L'utilisation de composés de coordination1 phosphorescents comme dopants augmente l'efficacité des dispositifs de sorte à atteindre des luminances suffisantes pour envisager des applications dans le domaine de l'éclairage. Si les complexes de l'iridium (L'iridium est un élément chimique de symbole Ir et de numéro atomique 77.) ont longtemps été considérés comme des matériaux de choix pour ce type d'applications, les complexes de cuivre(I) apparaissent aujourd'hui comme une alternative de plus en plus crédible.

Le cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte...) présente l'avantage d'être nettement moins onéreux et son utilisation ne pose pas les problèmes environnementaux liés à l'emploi de dérivés de métaux lourds comme l'iridium. Cependant, la préparation de complexes du cuivre(I) fortement luminescents et présentant une bonne stabilité reste encore difficile. En effet, ces composés évoluent souvent en se réarrangeant selon des processus d'échanges de ligands pour conduire à d'autres espèces. Afin d'empêcher cette dégradation, les chercheurs strasbourgeois et toulousains, avec des collègues italiens, ont utilisé des macromolécules azotées cycliques en forme d'anneau pour synthétiser des complexes de cuivre(I) tétraédriques stables.

La particularité de ces complexes est que leur anneau est traversé par un axe contenant deux phosphines, leur conférant ainsi une structure dite de type pseudo-rotaxane, inspirés de ceux imaginés par Jean-Pierre Sauvage, Prix Nobel de chimie (Le prix Nobel de chimie est décerné une fois l'an, depuis 1901, par l'Académie royale des sciences de Suède à un scientifique dont l'œuvre et les travaux ont rendu de grands services à l'humanité par...) 2016, qui apporte d'ailleurs son éclairage dans ce travail. L'anneau macrocyclique azoté m42 a une structure empêchant la formation de complexes du cuivre incorporant deux de ces anneaux azotés. Le complexe combinant cet anneau m42 et le ligand axe phosphoré POP est ainsi parfaitement stable à l'état solide et en solution: l'axe phosphoré ne peut se déplacer et la recombinaison des ligands pour donner d'autres espèces devient impossible.

Les scientifiques ont comparé des diodes électroluminescentes utilisant comme dopant des complexes de cuivre, l'un contenant un seul anneau m42, l'autre acyclique. Les performances des LED préparées avec le pseudo-rotaxane incorporant le macrocycle m42 sont non seulement meilleures mais ces dispositifs présentent aussi une stabilité nettement supérieure. À nouveau, la nature macrocyclique du ligand azoté joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et...) un rôle clé: il constitue une enveloppe qui protège le complexe dopant de la dégradation chimique au sein de la LED. Cette famille de complexes du cuivre(I) ouvre donc de nouvelles perspectives quant à leur utilisation pour des applications technologiques dans les domaines de l'affichage (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du foyer)sur un support destiné à son émission, externe ou interne, ce qui en fait un média à part entière sans contexte...) et de l'éclairage.




(A) Le pseudo-rotaxane [Cu(m42)(POP)]BF4 associant un ligand azoté macrocyclique (m42, en noir) avec un ligand phosphoré (POP, en bleu) et son analogue acyclique [Cu(dmp)(POP)]BF4.
(B) Diode électroluminescente utilisant le composé [Cu(m42)(POP)]BF4 comme dopant.
©Jean-François Nierengarten

Références publications:
Meera Mohankumar, Michel Holler, Eric Meichsner, Jean-François Nierengarten, Frédéric Niess, Jean-Pierre Sauvage, Béatrice Delavaux-Nicot, Enrico Leoni, Filippo Monti, Joanna M. Malicka, Massimo Cocchi, Elisa Bandini, Nicola Armaroli
Heteroleptic Copper(I) Pseudorotaxanes Incorporating Macrocyclic Phenanthroline Ligands of Different Sizes.
Journal of the American Chemical Society. Janvier 2018
DOI: 10.1021/jacs.7b12671
-Jean-Pierre Sauvage, un Nobel pour les machines moléculaires
https://lejournal.cnrs.fr/articles/jean-pierre-sauvage-un-nobel-pour-les-machines-moleculaires
- De drôles de machines moléculaires | Dans les coulisses de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) https://www.dailymotion (Dailymotion est une entreprise française offrant un service d'hébergement, de partage et de visionnage de vidéo en ligne. Dailymotion est le 41e site le plus fréquenté au monde avec...).com/video/x627yxl

Contacts chercheurs:
- Jean-Pierre Sauvage, ISIS UMR 7006, Université de Strasbourg (L’université de Strasbourg (UDS) est une université française située à Strasbourg en Alsace. Son origine remonte à la création du...)
- Jean-François Nierengarten, LIMA (Lima est la capitale et la plus grande ville du Pérou (2005: 8 393 728 habitants). Elle est située sur la côte ouest du pays près du port de Callao....) UMR 7042, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Strasbourg
- Béatrice Delavaux-Nicot, LCC UPR 8241, Université de Toulouse (Cette page est consacrée au PRES Université de Toulouse. Pour les pages sur les universités voir Université Toulouse I, Université Toulouse II-Le Mirail, Université...)
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