Observer une molécule dans tous ses "états"
Publié par Redbran le 03/10/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Les différents états (électroniques, vibrationnels, de charge...) d'une molécule ont été observés simultanément pour la première fois grâce à un dispositif mis au point par des chercheurs strasbourgeois. Ce résultat ouvre à la voie à une meilleure compréhension de processus biologiques ou optoélectroniques.


Vue artistique de la stimulation (Une stimulation est un événement physique ou chimique qui active une ou plusieurs cellules réceptrices de l'organisme. La cellule traduit la stimulation par un potentiel d'action, qui est transmis par les nerfs vers les organes...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle...) d'une unique molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant...) de phtalocyanine. Copyright Loïc Joly, Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Schull

Selon la manière dont on la stimule et en fonction de son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...), une molécule peut subir un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de transformations. Celles-ci mettent en jeu des transitions entre différents états de cette molécule, qui peuvent être, notamment, électroniques, vibrationnels, ou de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.). Ces transitions sont au cœur d'un grand nombre de processus biologiques, comme la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis,...) et la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de...), mais constituent également les étapes clefs du fonctionnement de dispositifs optoélectroniques organiques, comme les OLEDs ou les panneaux photovoltaïques organiques. Pour la première fois, une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) et 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 espaces d'investigations communs ou proches.) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de Strasbourg (CNRS/Univ. Strasbourg) a montré qu'il est possible de sonder simultanément les transitions entre états électroniques, vibroniques et électrochimiques d'une unique molécule, permettant une meilleure compréhension des processus biologiques et optoélectroniques évoqués précédemment.

Les chercheurs ont utilisé la pointe effilée d'un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986. C'est...) pour imager et sonder une unique molécule de phtalocyanine, un pigment utilisé pour ses propriétés optiques et électroniques. La molécule était séparée d'un substrat d'or par une fine couche de sel qui permet de préserver les propriétés de fluorescence du pigment, autrement altérées par le contact direct avec le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques...). Cette couche autorise également le passage d'un faible courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements...) allant de la pointe au substrat d'or au travers de la molécule. Dans ces conditions, les auteurs ont montré qu'il est possible de changer l'état d'oxydation de la molécule, en l'occurrence de la charger positivement, et de stabiliser cet état suffisamment longtemps pour en sonder ses propriétés de fluorescence. Ici, le courant électrique est également utilisé pour stimuler l'émission 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)....). Le spectre optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) obtenu est caractéristique des transitions entre différents états électroniques de la molécule, qualifiés d'excité et de fondamental, mais révèle également la signature d'un grand nombre d'états vibrationnels propres à la molécule chargée, un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières....) qui n'avait jamais été détecté auparavant.

Celui-ci nous renseigne notamment sur les mécanismes de couplages entre états électroniques et vibrationnels qui jouent un rôle essentiel dans des processus aussi vitaux que la photosynthèse. Il permet également de caractériser aux plus petites échelles, une classe de molécules, dites électrofluorochromiques, qui ont la capacité de changer de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) d'émission en fonction de leur état de charge, et qui sont particulièrement importantes pour la réalisation de dispositifs organiques luminescents. Ces travaux ont été publiés dans la revue Science.

Référence publication:
Electrofluorochromism at the single-molecule level
B. Doppagne, M.C. Chong, H. Bulou, A. Boeglin, F. Scheurer et G. Schull
Science (2018), DOI: 10.1126/science.aat1603
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes ArXiv

Contact chercheur:
- Guillaume Schull, chargé de 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...) au 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).)

Informations complémentaires:
Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ.Strasbourg)
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