Des chercheurs de l'Université de Ratisbonne suivent la première étape de la réaction d'un seul pigment colorant avec l'oxygène à une résolution sans précédent.

Pourquoi les couleurs d'un t-shirt s'estompent-elles avec le temps au soleil ? Pourquoi as-tu un coup de soleil, et pourquoi les feuilles d'un arbre brunissent-elles en automne ? Ces questions ont toutes un thème en commun :l'interaction entre les pigments colorants et l'oxygène ambiant. Chaque enfant apprend cette réaction chimique à l'école, qui est le processus d'oxydation dans l'air que nous respirons. Alors, que pourrait-il rester à la recherche?

L'oxygène est une molécule étonnante en ce qu'elle est magnétique. Sous forme liquide, à très basse température, il peut être capté par un aimant tout comme la limaille de fer. Cette propriété est liée aux électrons dans l'oxygène. Toutes les molécules sont constituées de noyaux atomiques et d'électrons, qui se comportent comme de minuscules aiguilles d'une boussole. D'habitude, ces aiguilles sont disposées par paires pointant dans des directions opposées de sorte que leurs forces magnétiques s'annulent. Dans une molécule d'oxygène constituée de deux atomes d'oxygène, cependant, les deux aiguilles de la boussole pointent dans la même direction, rendre l'oxygène magnétique.

Molécules colorantes, comme celles utilisées pour colorer un t-shirt, ne sont pas magnétiques car les aiguilles de la boussole des électrons pointent dans des directions opposées. Quand la lumière brille sur une telle molécule, une certaine couleur de la lumière sera absorbée, donnant au colorant son aspect caractéristique. Dans ce processus d'absorption de la lumière, l'énergie de la lumière est transférée à un électron dans la molécule de colorant, rompre l'appariement original de deux électrons et permettre à l'aiguille de la boussole de l'électron excité de changer spontanément son alignement. Lorsque ce processus se produit, l'électron ne peut plus revenir à son état d'origine. La molécule de colorant devient magnétique, entrer dans ce qu'on appelle un "état triplet".

Une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Jascha Repp a maintenant réussi à révéler comment cette énergie triplet est transférée d'une seule molécule de colorant à une seule molécule d'oxygène. Ce processus fait partie intégrante de la vie quotidienne, où de nombreuses réactions d'oxydation se déroulent via l'état triplet excité. Tant que la molécule réside dans cet état, il retient l'énergie que lui donne la lumière, facilitant ainsi les réactions chimiques. La plupart des réactions chimiques, comme la combustion, nécessitent une certaine énergie initiale telle qu'une étincelle pour commencer.

Une dissipation complète de l'énergie au sein de la molécule de colorant nécessite une autre inversion de l'alignement de l'aiguille de la boussole électronique, ce qui est un processus lent et improbable. Alternativement, l'énergie lumineuse dans la molécule de colorant, qui correspond à une énergie magnétique, peut simplement transférer à une autre molécule magnétique, comme l'oxygène, un processus semblable au retournement d'un aimant en barre en faisant tourner un autre à proximité. Ce transfert d'énergie désexcite la molécule de colorant, mais il a tendance à rendre la molécule d'oxygène elle-même très réactive, détruisant finalement la molécule de colorant. Cet effet peut être vu dans les t-shirts blanchis ou les coups de soleil, où les molécules de colorant sont les pigments de la peau.

L'équipe a réussi à suivre ce transfert d'énergie entre le colorant et la molécule d'oxygène directement dans l'espace, sans détruire la molécule de colorant. Pour faire ça, des molécules simples ont été placées sur une surface et refroidies à des températures très basses proches de celle de l'univers. A l'aide d'un "microscope à force atomique" constitué d'une aiguille très fine avec un seul atome à son extrémité, les chercheurs ont pu imager les atomes individuels de la molécule de colorant en balayant la pointe à travers elle. En appliquant une séquence d'impulsions électriques à la molécule de colorant, ils pourraient le conduire dans l'état de triplet magnétique de manière contrôlée. Le transfert d'énergie de cet état triplet excité aux molécules d'oxygène à proximité a ensuite été suivi dans le temps en mesurant de minuscules changements de la force agissant sur la pointe.

Cette nouvelle approche, signalé dans Science , a permis aux chercheurs de sonder de nombreuses géométries différentes de l'arrangement de la molécule de colorant et de l'oxygène. De cette façon, l'interaction entre les arrangements moléculaires au niveau atomique et la vitesse à laquelle un tel transfert d'énergie se produit pourrait être résolue pour la première fois. Les scientifiques visent maintenant à pouvoir enfin formuler un cadre microscopique sous-jacent des réactions d'oxydation fondamentales. En plus de la décoloration gênante des t-shirts, une telle interaction entre les excitations de triplet moléculaire est d'une importance capitale pour une gamme de développements technologiques, comme dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED) et les cellules solaires organiques, dans la conversion d'énergie photocatalytique et la photosynthèse, et dans la thérapie photodynamique du cancer.