La capacité de photoluminescence des complexes de cuivre augmente à mesure que leur structure moléculaire augmente. Au fur et à mesure que les complexes de cuivre deviennent de plus en plus volumineux (augmente de gauche à droite), leurs mouvements ralentissent. Ce mouvement de ralentissement des complexes de cuivre augmente leur propriété photoluminescente et ils émettent une lumière plus brillante. Crédit :Unité de Coordination Chimie et Catalyse, OIST
Avec Halloween fini, les décorations fantomatiques sont maintenant remplacées par des ornements sur le thème de Noël, dont beaucoup brillent dans le noir. Cette lueur, appelé luminescence, est produit par des réactions chimiques et biochimiques ou lorsque les électrons d'un matériau sont excités à des états d'énergie plus élevés lors de l'exposition à la lumière. La luminescence de ce dernier type est appelée photoluminescence et est largement utilisée en microscopie à fluorescence et dans le développement de différents types de capteurs.
Maintenant, des chercheurs de l'Unité de coordination de chimie et de catalyse de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont découvert qu'en combinant le cuivre avec des molécules organiques, ils peuvent créer des complexes métalliques qui présentent une photoluminescence. Quoi de plus, en faisant varier la taille de ces molécules organiques, ils peuvent contrôler la luminosité de la lumière émise. L'étude a été publiée dans la revue Chimie inorganique .
Les chercheurs ont traditionnellement créé des complexes métalliques photoluminescents en utilisant des matériaux tels que le platine, ruthénium, osmium, rhénium et iridium, pour une utilisation dans des objets tels que les cadrans de certaines montres et horloges. Cependant, ces métaux précieux sont très chers, et les composés qu'ils forment sont toxiques à manipuler. Les complexes de cuivre d'autre part, fournir une alternative moins chère et avoir une structure que les scientifiques peuvent facilement manipuler.
Dans cette étude, les scientifiques ont créé des complexes de cuivre photoluminescents en combinant des atomes de cuivre avec des molécules organiques, ou des ligands, avec différents groupes amine. "Le processus de construction du complexe de cuivre est simple et commence par la synthèse de ligands appropriés, " explique le Dr Pradnya Patil, chercheur post-doctoral et auteur principal de l'étude. Elle a synthétisé quatre molécules de ligands similaires :le N-méthyle, N-isobutyle, N-isopropyle et N-tert-butyle—qui variaient en taille, la molécule N-méthyle étant la plus petite et la molécule N-tert-butyle la plus grande.
Complexes de cuivre photoluminescents utilisés dans cette étude. Les chercheurs ont construit des complexes de cuivre en utilisant des ligands avec divers groupes amine. De gauche à droite :N-méthyle, N-isobutyle, N-isopropyle et N-tert-butyle. Crédit :Unité de Coordination Chimie et Catalyse, OIST
L'idée derrière cette étude a d'abord frappé le professeur Julia Khusnutdinova de nombreuses années plus tôt. Au cours de sa recherche post-doctorale, elle a découvert que les molécules de ligand utilisées dans cette présente étude, étaient de nature très dynamique car leur capacité à se lier aux atomes métalliques s'accompagnait de nombreuses variations dans leurs formes moléculaires et leur mouvement.
Les quatre molécules de ligand ont ensuite été combinées avec du cuivre pour produire des complexes métalliques et leurs structures moléculaires ont été examinées à l'aide de techniques avancées telles que la diffraction des rayons X et la spectroscopie RMN, pour déterminer leur taille. Le plus petit complexe de cuivre, qui contenait du N-méthyle, déplacé de manière plus flexible et rapide par rapport aux trois autres, tandis que le complexe de cuivre avec le N-tert-butyle était le plus lent car il avait une structure moléculaire plus volumineuse. A leur grande surprise, les chercheurs ont découvert que plus la molécule est lente, plus la lumière émise est brillante.
Poussant plus loin cette nouvelle découverte, les chercheurs ont incorporé des molécules avec des structures similaires à ces complexes de cuivre dans des polymères, afin qu'ils puissent être utilisés dans une plus grande variété d'applications. Cela leur a permis de créer des sondes moléculaires qui brillent plus lorsqu'elles sont soumises à des contraintes ou des contraintes mécaniques. "Un tel matériau a le potentiel de créer de nouvelles méthodes pour prévenir la défaillance des matériaux de construction car il aidera à détecter l'usure avant que le matériau ne se brise réellement. Cette étude met en lumière le mécanisme de cette détection de contrainte, ", explique le professeur Julia Khusnutdinova.
