Il permet également de multiples propriétés photochromiques dans une seule molécule avec une seule source de lumière. Ces qualités les ont rendus précieux dans les éléments optiques et holographiques non linéaires, la microscopie super-résolution et les applications biomédicales.

Le moyen le plus simple d’obtenir un photochromisme non linéaire dans les matériaux consiste à absorber simultanément deux photons, mais cela nécessite une lumière d’une intensité extrêmement élevée. Pour les réactions photochromiques non linéaires utilisant une lumière de faible intensité, des processus à deux photons par étapes sont nécessaires, mais ceux-ci sont difficiles à concevoir car ils reposent sur des espèces moléculaires à durée de vie extrêmement courte.

De plus, les systèmes multiphotochromiques qui présentent des réactions photochimiques par étapes nécessitent des structures moléculaires complexes. De telles complexités ont limité les larges applications des composés photochromiques non linéaires dans de nombreux domaines.

Une autre méthode importante pour induire un photochromisme non linéaire est l’annihilation triplet-triplet (TTA). Il nécessite trois composants :un sensibilisateur triplet, un annihilateur et un composé photochromique, ce qui ajoute une complexité significative. Si une seule molécule peut remplir ces rôles, le photochromisme non linéaire peut être réalisé dans des systèmes plus simples.

Lors d'une avancée récente, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur Yoichi Kobayashi du Département de chimie appliquée du Collège des sciences de la vie de l'Université de Ritsumeikan, a réalisé un photochromisme non linéaire avec une lumière de faible intensité en utilisant le TTA dans une seule molécule.

Le professeur Kobayashi explique :« Les spirolactames de rhodamine peuvent jouer à la fois le rôle de composés photochromiques et de sensibilisants triplet, ce qui résout le problème de la complexité, et ils peuvent être facilement synthétisés à partir de la rhodamine B et de ses analogues. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur un spirolactame de rhodamine. dérivé ayant un groupe pérylène (Rh – Pe) et étudié ses propriétés photochromiques."

Leurs résultats ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie International Edition. le 10 avril 2024.

Dans Rh – Pe, l’excitation lumineuse déclenche une réaction photochromique, conduisant à la formation d’une structure d’ouverture d’anneau, appelée forme ouverte, qui entraîne des changements drastiques de sa couleur. En étudiant ses propriétés photochromiques non linéaires, les chercheurs ont découvert que l'efficacité du changement de couleur du Rh – Pe augmentait avec une lumière de plus forte intensité.

Cela signifie que l’intensité de la coloration et donc la quantité générée de forme ouverte augmentent de manière non linéaire avec une augmentation de l’intensité de l’excitation. Par exemple, lors d’une excitation avec une lumière de 365 nm provenant d’une diode électroluminescente, Rh – Pe n’a montré presque aucun changement de couleur. Cependant, l'excitation avec un laser à impulsion nanoseconde de 355 nm de plus haute intensité a entraîné une coloration significative, même si la lumière avait une énergie totale plus faible.

Pour comprendre l’origine de ces propriétés photochromiques non linéaires, les chercheurs ont étudié le mécanisme d’excitation du Rh – Pe. Ils ont découvert que lorsqu’il est directement excité par la lumière ultraviolette (UV) et bleue, le Rh – Pe passe à un état de transfert de charge, qui produit alors un état excité triplet. Cet état excité triplet subit ensuite un TTA, formant une forme ouverte intensément colorée via un état intermédiaire.

Ce TTA représente la réponse non linéaire à l’intensité lumineuse puisqu’il fonctionne plus efficacement avec une lumière de plus forte intensité. De plus, les chercheurs ont démontré que Rh–Pe peut également présenter un photochromisme induit par la lumière rouge et verte en utilisant des sensibilisateurs triples séparés, même s'il peut être directement excité par la lumière UV et la lumière bleue.

"Notre conception novatrice de composés photochromiques non linéaires facilement synthétisés ouvrira la voie à leurs diverses applications, telles que la photolithographie haute résolution, l'impression 3D et les disques optiques haute densité", déclare le professeur Kobayashi.

"Nos résultats offrent une nouvelle approche pour la conception de composés photochromiques et de matériaux fonctionnels avec un comportement non linéaire et une réactivité aux grandes longueurs d'onde qui utilisent efficacement la lumière à faible énergie."

Dans l'ensemble, les résultats de l'étude ouvrent de nouvelles voies pour développer des composés photochromiques non linéaires plus simples, ouvrant la voie à des applications plus larges.