Les premières images détaillées de la structure des polymères conjugués ont été produites par une équipe de recherche dirigée par le professeur Giovanni Costantini à l'Université de Warwick.

La capacité de ces polymères à conduire l'électricité les rend très recherchés, mais jusqu'à présent, ils pouvaient également être décrits comme extrêmement timides face à la caméra, car il n'y avait aucun moyen facile de déterminer leur structure. La nouvelle technique permet aux chercheurs non seulement de le déterminer, mais aussi de le voir clairement de leurs propres yeux.

Les polymères conjugués sont capables de conduire l'électricité car ils sont une chaîne de molécules conjuguées où les électrons peuvent se déplacer librement en raison de leurs orbitales p électroniques qui se chevauchent. Effectivement, ce sont d'excellents fils moléculaires. De plus, ils s'apparentent à des matériaux semi-conducteurs (ils ont des gaps énergétiques), ils peuvent donc être utilisés pour des applications électroniques (électronique plastique) et photovoltaïques (cellules solaires organiques).

Les polymères fonctionnels modernes sont souvent des copolymères, C'est, ils sont constitués d'une séquence (idéalement régulière) de différents monomères. L'ordre de ces monomères est essentiel à leurs propriétés optoélectroniques qui peuvent être gravement endommagées par des erreurs dans la façon dont les monomères se lient réellement dans une chaîne pour former le polymère (ce qu'on appelle des erreurs de polymérisation se produisant lors de la synthèse de ces matériaux). Cependant, la détection de la nature et de la position exacte de ces erreurs s'est avérée problématique avec les méthodes analytiques actuelles. La spectrométrie de masse n'apporte pas de solution, car les chaînes polymères plus courtes sont généralement plus susceptibles d'être ionisées et ont donc tendance à être surreprésentées dans les spectres.

Costantini et ses collaborateurs ont proposé et mis en œuvre une approche complètement nouvelle pour surmonter ce problème analytique fondamental. L'idée sous-jacente est extrêmement simple, mais en même temps transformateur :déposez les polymères sur une surface et imagez-les par microscopie à effet tunnel (STM) à haute résolution. Cette approche réalise effectivement l'une des prédictions visionnaires de Richard Feynman dans son célèbre discours de 1959 There's Plenty of Room at the Bottom, où il a dit qu'à l'avenir « il serait très facile de faire une analyse de n'importe quelle substance chimique compliquée; tout ce que l'on aurait à faire serait de la regarder et de voir où sont les atomes ».

La résolution à l'échelle atomique du STM est idéale pour cet objectif, mais le problème demeure que les chaînes de molécules de polymère doivent d'abord être déposées intactes sous vide sur des surfaces atomiquement propres et planes. La méthode habituelle consiste à chauffer le matériau moléculaire jusqu'à ce qu'il se sublime mais, pour des molécules aussi grosses que des polymères, cela fait fondre efficacement la structure qui devrait être étudiée. Les auteurs ont donc opté pour une nouvelle méthode qui pulvérise un nuage de polymère à travers une série de minuscules ouvertures dans une chambre à vide, permettant de déposer une seule couche non enchevêtrée sur une surface entièrement représentative de l'échantillon de polymère d'origine. Le STM de ces couches a produit des images d'une résolution étonnante, révélant clairement les détails des sous-monomères des polymères conjugués.

Les chercheurs dirigés par le professeur Giovanni Costantini à l'Université de Warwick avec des collègues de l'Imperial, Cambridge et Liverpool ont publié ces résultats dans un article intitulé "Sequencing conjugated polymers by eye" qui paraît dans Avancées scientifiques aujourd'hui vendredi 15 juin 2018. Leurs images STM haute résolution de la structure des polymères conjugués sont si détaillées qu'elles ne peuvent pas seulement aider au contrôle qualité et au réglage fin de la conception des polymères, mais ils peuvent même être utilisés comme quelque chose qui s'apparente à une photo d'identité de propriété intellectuelle (IP) pour les polymères. On suppose que des images aussi précises et claires pourraient aider les chercheurs en synthèse à démontrer exactement la conception qu'ils souhaitent protéger légalement en améliorant considérablement les informations disponibles pour soutenir une demande de protection IP.

Dans leur papier, les chercheurs démontrent la puissance de la nouvelle technique en examinant le polymère conjugué :"Poly Tetradecyl-dicetopyrrolopyrrole-furan-co-furan". Il s'agit d'un polymère conjugué de la famille à base de DPP qui présente actuellement certaines des meilleures performances dans les dispositifs optoélectroniques.

Ce matériau est le plus efficace lorsque ses chaînes polymères se forment dans une séquence alternée d'un grand monomère "A" et d'un plus petit monomère "B". Cependant, des défauts peuvent se produire pendant la synthèse qui cassent cette séquence idéale, endommageant ainsi également ses propriétés attrayantes de conduction et de récupération de la lumière. Les spéculations jusqu'à présent étaient que cela se produit principalement lorsque deux des plus gros monomères "A" se rejoignent directement dans une séquence BAAB.

Lorsque ces défauts se produisent, des lacunes ou des vides se forment dans l'assemblage du polymère conjugué en correspondance avec ces erreurs dans la chaîne. L'équipe de recherche dirigée par l'Université de Warwick a pu utiliser sa nouvelle technique de visualisation pour montrer très clairement toutes ces lacunes, puis zoomer davantage sur les chaînes polymères, repérer avec précision chacune des séquences de monomères défectueuses. Ce faisant, à leur grande surprise, ils n'ont pas trouvé les défauts BAAB attendus mais les défauts ABBA.

Professeur Giovanni Costantini, un physicien du département de chimie de l'université de Warwick a déclaré :

Cette nouvelle capacité à imager des polymères conjugués avec une résolution spatiale sous-monomère, permettez-nous, pour la première fois, pour séquencer un matériau polymère en le regardant simplement. Certaines des premières images que nous avons produites à l'aide de cette technique étaient si détaillées que lorsque les chercheurs qui ont synthétisé les polymères les ont vues pour la première fois, leur impression de joie m'a rappelé comment les nouveaux parents réagissent aux premières échographies de leurs bébés.

En plus de représenter une avancée technique significative, cette nouvelle technique consistant à combiner le dépôt par électronébulisation sous vide avec la microscopie à effet tunnel à haute résolution a également le potentiel de révolutionner les capacités analytiques dans le domaine d'application des polymères conjugués où les autres techniques actuellement disponibles sont extrêmement limitées.

Je suis particulièrement reconnaissant à l'Université de Warwick qui a directement financé l'achat de l'équipement de dépôt par électropulvérisation qui a été crucial pour réaliser cette avancée technique significative.