Le département de chimie de l'Université de Princeton publie cette semaine des recherches prouvant qu'un champ magnétique appliqué va interagir avec la structure électronique de faiblement magnétique, ou diamagnétique, molécules pour induire un effet de champ magnétique qui, à leur connaissance, n'a jamais été documenté auparavant.

Avec l'application expérimentale de champs magnétiques jusqu'à 25 Tesla, les molécules à faible magnétisme intrinsèque présentent des propriétés optiques et photophysiques magnétosensibles, selon le papier, "Les courants annulaires modulent les propriétés optoélectroniques des chromophores aromatiques à 25 Tesla, " publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Grégory Scholes, le professeur de chimie William S. Todd, et Bryan Kudisch, un étudiant diplômé de cinquième année et auteur principal de l'article, a déclaré que la découverte pourrait permettre aux scientifiques de modifier fondamentalement les propriétés électroniques et photophysiques de certaines classes de molécules en utilisant le champ magnétique comme "poignée".

Expérimenter avec un champ magnétique presque 1M fois plus fort que celui de la Terre, les chercheurs du groupe Scholes ont pu modifier les propriétés optoélectroniques de modèles de chromophores organiques non magnétiques. Les modifs, selon le papier, résultent de l'induction de courants cycliques dans les molécules aromatiques.

"Personne ne s'attendrait à ce qu'une molécule organique sans métal et sans magnétisme intrinsèque ait un effet de champ magnétique aussi évident, " a déclaré Kudisch. "Nous utilisons certains des plus grands champs magnétiques générés sur terre, c'est juste. Mais en même temps, nous voyons quelque chose qui n'a jamais été vu auparavant. Et puis pour trouver une explication appropriée en invoquant un effet de champ magnétique couramment observé en résonance magnétique nucléaire (RMN), à savoir les courants de cycle aromatiques, est très enrichissant."

Les courants de cycle aromatique peuvent être compris comme la proposition selon laquelle les électrons délocalisés par aromaticité se déplaceront circulairement lorsqu'un champ magnétique est appliqué perpendiculairement au plan aromatique, typiquement poussant les déplacements chimiques des atomes voisins dans la spectroscopie RMN.

"Cette recherche montre qu'il s'agit d'un phénomène avec des implications chimiques très réelles, " Kudisch a ajouté. " Ici, nous avons pris quelque chose qui est courant dans un type de spectroscopie et avons montré comment il se transforme d'une manière complètement inattendue en utilisant nos méthodes spectroscopiques."

Pour l'expérimentation, les chercheurs ont choisi un chromophore aromatique modèle appelé phtalocyanine, qui a une structure moléculaire similaire à celle de la chlorophylle, l'absorbeur de lumière de la nature, mais avec une absorption plus forte de la lumière visible et une plus grande stabilité. Les calculs sur ce composé de phtalocyanine modèle et ses agrégats ont montré clairement, changements dépendants du champ magnétique de la capacité de la phtalocyanine à absorber la lumière. Ces résultats sont les premiers à démontrer des changements dépendants du champ magnétique dans le spectre d'absorption des molécules diamagnétiques. Mais ce n'est que lorsque les chercheurs ont appliqué l'analogue classique du solénoïde que l'expérience est devenue plus claire.

Un solénoïde est un dispositif électromagnétique qui convertit efficacement l'énergie électrique et magnétique à l'aide de boucles de fil conducteur disposées comme un ressort. Avec leur réflexion fondée sur le comportement des solénoïdes, Kudisch a dit, ils ont pu rationaliser que la sensibilité accrue au champ magnétique qu'ils observaient dans les agrégats de phtalocyanine pouvait dépendre de la disposition relative des anneaux de phtalocyanine dans l'agrégat.

"Non seulement cela a ajouté une validation supplémentaire à notre support informatique, mais cela a également donné du crédit à cette idée de courants de cycle aromatiques couplés - les courants de cycle des chromophores de phtalocyanine voisins dans l'agrégat ont une géométrie dépendante de l'amplification de la sensibilité au champ magnétique, " dit Kudisch. " Tout comme le solénoïde. "

Initié il y a trois ans, le projet de recherche combinait des expériences utilisant un champ magnétique élevé et des capacités de spectroscopie ultrarapide. Une partie a été réalisée avec le Split-Florida Helix Magnet au National High Magnetic Field Facility à Tallahassee, Floride, qui possède l'aimant le plus puissant au monde pour la spectroscopie RMN. Cet aimant unique en son genre peut atteindre et maintenir des intensités de champ magnétique allant jusqu'à 25 T d'une manière complètement résistive, en soi probablement le solénoïde le plus puissant de la planète. Lorsqu'il est opérationnel, l'aimant utilise 2 % de l'électricité de la ville.

Scholes a noté que le PNAS papier marque la deuxième publication de son groupe à partir de travaux utilisant l'aimant à hélice fendue de Floride, une collaboration qui a commencé il y a plus de huit ans lors de la conception de l'aimant. Le rôle de son groupe était de proposer et de concevoir le système laser ultrarapide qui se connecte à l'aimant.

"Il est relativement facile d'obtenir des champs magnétiques aussi élevés sur un aimant RMN, mais nos expériences nécessitent que vous obteniez de la lumière et que vous la projetiez sur l'échantillon, puis que vous éteignez cette lumière d'une manière ou d'une autre. Et pour cela, nous avions besoin du labo à Tallahassee. C'est un tas de quasi-impossibilités qui se réunissent, " a déclaré Kudisch.

Kudisch a déclaré que l'obtention d'agrégats de phtalocyanine sous forme de nanoparticules organiques pour leurs expériences était « la partie la plus simple, " en raison de collaborations antérieures avec le département de génie chimique et biologique de Princeton. Parmi les autres collaborateurs sur le papier, citons l'école polytechnique de Milan, et l'Université nationale de Cordoue.

Globalement, il a dit, l'atmosphère « éclectique » des investigations au Scholes Lab a contribué au succès du projet.

"Le contexte est, ce laboratoire réfléchit à certains des problèmes les plus urgents de la chimie physique auxquels personne n'a pensé et détermine si les idées que nous proposons sont testables, " a déclaré Kudisch. " Quand vous plongez vraiment dedans, ce qui nous intéresse, c'est jusqu'où nous pouvons aller dans le terrier de lapin de la spectroscopie ultrarapide, et ce qu'il peut nous permettre d'apprendre dans une variété de domaines différents."