Des scientifiques de l'Université de Nagoya ont développé une nouvelle façon de fabriquer des matériaux sensibles aux stimuli de manière prévisible. Ils ont utilisé cette méthode pour concevoir un nouveau matériau, un mélange de nanocycles de carbone et d'iode, qui conduit l'électricité et émet de la lumière blanche lorsqu'il est exposé à l'électricité. La nouvelle approche de l'équipe pourrait aider à générer une gamme de matériaux fiables et réactifs aux stimuli, qui peut être utilisé dans les dispositifs de mémoire, muscles artificiels et systèmes d'administration de médicaments, entre autres applications.

Nagoya, Japon – Les matériaux sensibles aux stimuli modifient leurs propres propriétés en réponse à des stimuli externes, comme la photo-irradiation, Chauffer, pression et électricité. Cette fonction peut être contrôlée pour un large éventail d'utilisations, comme dans les disques optiques, mémoires et affichages informatiques, ainsi que des muscles artificiels et des systèmes d'administration de médicaments.

Les chercheurs ont travaillé pour développer de nouveaux matériaux sensibles aux stimuli de manière prévisible. Cependant, il a été extrêmement difficile de concevoir et de contrôler les arrangements moléculaires complexes des matériaux.

Maintenant, une méthode simple et fiable pour synthétiser des matériaux sensibles aux stimuli a été développée par une équipe dirigée par le projet JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon de l'université de Nagoya et l'Institut des biomolécules transformatrices (ITbM). Les résultats de cette étude ont été récemment publiés dans la revue Angewandte Chemie Édition Internationale .

La méthode « hôte poreux réactif » prend une molécule avec une structure poreuse et y lie une molécule « invité » susceptible de réagir à des stimuli externes. Dans ce cas, l'équipe a découvert que le [10]cycloparaphénylène ([10]CPP), une molécule d'hydrocarbure composée de 10 cycles benzéniques para-connectés, fait un hôte idéal lorsqu'il est combiné avec de l'iode (I). L'iode s'est situé à l'intérieur des anneaux de carbone poreux, et réagi à la stimulation électrique. Non seulement il conduisait l'électricité, il a également émis une lumière blanche, ce qui est inhabituel. Typiquement, de nombreux autres composants sont nécessaires pour obtenir la couleur blanche. Cela montre le potentiel du nouveau matériau, [10] RPC-I, pour les systèmes d'éclairage de nouvelle génération.

"Cette approche d'"hôte poreux réactif" devrait être applicable à différents stimuli, comme la photo-irradiation, application de chaleur et changement de pH, et ouvrir la voie à l'élaboration d'une stratégie générique pour le développement de matériaux sensibles aux stimuli de manière contrôlable et prévisible, " a déclaré le Dr Hirotoshi Sakamoto, un chef de groupe du projet JST-ERATO.

La synthèse du matériau est étonnamment simple :les chercheurs ont mélangé des nanoanneaux de carbone (CPP) et de l'iode ensemble, et laissez sécher. La cristallographie aux rayons X a confirmé que les molécules d'iode s'alignent à l'intérieur du noyau creux des nano-anneaux alignés.

L'équipe a essayé plusieurs variantes du mélange, changer le nombre de nanoanneaux de carbone, et a constaté que 10 anneaux conduisaient au mouvement d'atome d'iode le plus dynamique et à la réponse la plus sensible aux changements environnementaux externes.

Lorsqu'un courant continu a été appliqué à [10]CPP-I, la résistivité apparente de l'échantillon est devenue environ 380 fois plus faible, indiquant qu'il conduisait l'électricité plutôt que de résister à la transmission électrique. La résistivité apparente dans les mélanges avec 9 ou 12 nano-anneaux n'a pas diminué autant. Ces résultats montrent que la taille des pores dans l'assemblage de nano-anneaux contrôle la réponse à la stimulation électrique.

"L'une des parties les plus difficiles de cette recherche était d'étudier comment la conductivité électrique du [10]CPP-I est activée par des stimuli électriques, " a déclaré le Dr Noriaki Ozaki, chercheur postdoctoral du projet JST-ERATO. "Bien qu'il ne nous ait fallu que trois mois environ pour synthétiser la molécule et découvrir ses propriétés de réponse aux stimuli électriques, il a fallu encore un an pour découvrir l'origine de ses propriétés."

L'équipe a finalement compris comment la conductivité électrique du [10]CPP-I est activée par des stimuli électriques, utilisant la spectroscopie d'absorption des rayons X (XANES), Spectroscopie Raman, et la spectroscopie de fluorescence. Ces analyses ont montré que les atomes d'iode dans les nanoanneaux de carbone forment des chaînes de polyiodure étendues lorsqu'ils sont stimulés par l'électricité, qui a donné la conductivité électrique du matériau.

Les chercheurs ont également découvert que les stimuli électriques peuvent faire passer la couleur de photoluminescence du [10]CPP-I d'une couleur vert-bleu à une couleur blanche. La luminescence blanche signifie que le spectre de fluorescence du [10]CPP-I couvre toute la gamme de la lumière visible. L'élargissement spectral est attribué à la distribution irrégulière des structures électroniques des CPP, qui est causée par la formation de chaînes de polyiodure. La luminescence blanche du [10]CPP-I est un exemple rare de matériau d'éclairage blanc provenant d'un seul assemblage moléculaire ; l'émission de lumière blanche est généralement obtenue en mélangeant plusieurs composants de couleurs différentes.

« Nous étions vraiment ravis de développer cette méthode simple mais puissante pour réaliser la synthèse de matériaux de réponse aux stimuli externes, " a déclaré le professeur Kenichiro Itami, directeur du projet JST-ERATO et directeur du centre ITbM.