Les chaînes d’anneaux contenant du carbone fondu possèdent des propriétés optoélectroniques uniques qui les rendent utiles en tant que semi-conducteurs. Ces chaînes, appelées acènes, peuvent également être réglées pour émettre différentes couleurs de lumière, ce qui en fait de bons candidats pour une utilisation dans les diodes électroluminescentes organiques.
La couleur de la lumière émise par un acène est déterminée par sa longueur, mais à mesure que les molécules s'allongent, elles deviennent également moins stables, ce qui a entravé leur utilisation généralisée dans les applications électroluminescentes.
Les chimistes du MIT ont désormais trouvé un moyen de rendre ces molécules plus stables, leur permettant de synthétiser des acènes de différentes longueurs. Grâce à leur nouvelle approche, ils ont pu créer des molécules émettant de la lumière rouge, orange, jaune, verte ou bleue, ce qui pourrait faciliter le déploiement des acènes dans diverses applications.
"Cette classe de molécules, malgré leur utilité, présente des défis en termes de profil de réactivité", explique Robert Gilliard, professeur agrégé de chimie Novartis au MIT et auteur principal de la nouvelle étude. "Ce que nous avons essayé de résoudre dans cette étude, c'était d'abord le problème de stabilité, et deuxièmement, nous voulions créer des composés permettant d'avoir une plage d'émission de lumière réglable."
Chun-Lin Deng, chercheur au MIT, est l'auteur principal de l'article, qui paraît dans Nature Chemistry. .
Les acènes sont constitués de molécules de benzène (anneaux constitués de carbone et d'hydrogène) fusionnées de manière linéaire. Parce qu'ils sont riches en électrons partageables et peuvent transporter efficacement une charge électrique, ils ont été utilisés comme semi-conducteurs et transistors à effet de champ (transistors qui utilisent un champ électrique pour contrôler le flux de courant dans un semi-conducteur).
Des travaux récents ont montré que les acènes dans lesquels certains atomes de carbone sont remplacés ou « dopés » par du bore et de l'azote possèdent des propriétés électroniques encore plus utiles. Cependant, comme les acènes traditionnels, ces molécules sont instables lorsqu'elles sont exposées à l'air ou à la lumière.
Souvent, les acènes doivent être synthétisés dans un récipient scellé appelé boîte à gants pour les protéger de l’exposition à l’air, ce qui peut les amener à se décomposer. Plus les acènes sont longs, plus ils sont sensibles aux réactions indésirables initiées par l'oxygène, l'eau ou la lumière.
Pour tenter de rendre les acènes plus stables, Gilliard a décidé d'utiliser un ligand avec lequel son laboratoire a déjà travaillé, appelé carbodicarbènes. Dans une étude publiée l'année dernière, ils ont utilisé ce ligand pour stabiliser les ions borafluorénium, des composés organiques capables d'émettre différentes couleurs de lumière en réponse aux changements de température.
Pour cette étude, Gilliard et ses co-auteurs ont développé une nouvelle synthèse qui leur a permis d'ajouter des carbodicarbènes aux acènes également dopés au bore et à l'azote. Avec l'ajout du nouveau ligand, les acènes sont devenus chargés positivement, ce qui a amélioré leur stabilité et leur a également conféré des propriétés électroniques uniques.
En utilisant cette approche, les chercheurs ont créé des acènes qui produisent différentes couleurs, en fonction de leur longueur et des types de groupes chimiques attachés au carbodicarbène. Jusqu'à présent, la plupart des acènes dopés au bore et à l'azote qui avaient été synthétisés ne pouvaient émettre que de la lumière bleue.
"L'émission rouge est très importante pour un large éventail d'applications, y compris les applications biologiques comme l'imagerie", explique Gilliard. "De nombreux tissus humains émettent de la lumière bleue, il est donc difficile d'utiliser des sondes fluorescentes bleues pour l'imagerie, ce qui est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles les gens recherchent des émetteurs rouges."
Une autre caractéristique importante de ces acènes est qu’ils restent stables dans l’air et dans l’eau. Les molécules chargées contenant du bore avec un faible nombre de coordination (ce qui signifie que l'atome central de bore a peu de voisins) sont souvent très instables dans l'eau, de sorte que la stabilité des acènes dans l'eau est remarquable et pourrait rendre possible leur utilisation pour l'imagerie et d'autres applications médicales. .
"L'une des raisons pour lesquelles nous sommes enthousiasmés par la classe de composés que nous présentons dans cet article est qu'ils peuvent être mis en suspension dans l'eau. Cela ouvre un large éventail de possibilités", explique Gilliard.
Les chercheurs prévoient maintenant d'essayer d'incorporer différents types de carbodicarbènes pour voir s'ils peuvent créer des acènes supplémentaires avec une stabilité et une efficacité quantique encore meilleures (une mesure de la quantité de lumière émise par le matériau).
"Nous pensons qu'il sera possible de créer de nombreux dérivés différents que nous n'avons même pas encore synthétisés", déclare Gilliard. "Il existe de nombreuses propriétés optoélectroniques qui peuvent être exploitées et que nous n'avons pas encore explorées, et nous sommes également enthousiasmés par cela."
Gilliard prévoit également de travailler avec Marc Baldo, professeur de génie électrique au MIT, pour essayer d'incorporer les nouveaux acènes dans un type de cellule solaire connue sous le nom de cellule solaire à fission unique. Ce type de cellule solaire peut produire deux électrons à partir d'un photon, ce qui rend la cellule beaucoup plus efficace.
Ces types de composés pourraient également être développés pour être utilisés comme diodes électroluminescentes pour les écrans de télévision et d'ordinateur, explique Gilliard. Les diodes électroluminescentes organiques sont plus légères et plus flexibles que les LED traditionnelles, produisent des images plus lumineuses et consomment moins d'énergie.
"Nous en sommes encore aux tout premiers stades du développement d'applications spécifiques, qu'il s'agisse de semi-conducteurs organiques, de dispositifs électroluminescents ou de cellules solaires à fission singulet, mais en raison de leur stabilité, la fabrication des dispositifs devrait être beaucoup plus fluide que d'habitude. pour ce genre de composés", explique Gilliard.
"En combinant du carbone zérovalent réactif et des espèces de bore cationiques, ce travail créatif avec un paradigme non traditionnel ouvre certainement une voie prometteuse vers le développement de matériaux électroluminescents hautement stables à l'air et photo-stables et de dispositifs miniatures de récupération d'énergie", déclare Tiow-Gan Ong. , directeur adjoint de l'Institut de chimie de l'Academia Sinica en Chine, qui n'a pas participé à la recherche.
Plus d'informations : Chun-Lin Deng et al, Ions carbodicarbène-azaboracénium luminescents à l'air et photostables, Nature Chemistry (2023). DOI :10.1038/s41557-023-01381-0
Informations sur le journal : Chimie naturelle
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.
