Figure 1 :(a) L'orbite de l'électron pi et la boucle de Mobius dans les composés organiques 4n aux propriétés aromatiques de Mobius. (b) Structure de la molécule en forme d'anneau ([28] hexaphyrine) qui présente une stabilité en raison de ses propriétés aromatiques de Mobius (n=7) dans son état fondamental. Crédit :Université de Kobe
Comme le suggère leur nom, Les molécules de Möbius ont une structure en boucle torsadée, une caractéristique particulière avec de nombreuses applications potentielles. Une équipe de recherche japonaise a révélé les propriétés d'un type de molécule aromatique de Möbius qui exprime le magnétisme et conserve des niveaux d'énergie élevés lorsqu'elle est exposée à la lumière. Ces caractéristiques pourraient potentiellement être appliquées dans les batteries solaires organiques, lumières, et des matériaux conducteurs.
Les découvertes ont été faites par une équipe de recherche dirigée par le professeur Yasuhiro Kobori (Université de Kobe), Professeur Atsuhiro Osuka (Université de Kyoto), Professeur Kazunobu Sato et professeur de projet Takeji Takui (Université de la ville d'Osaka), et l'étude a été publiée le 10 mai dans le Journal des lettres de chimie physique .
Les molécules aromatiques de Möbius ont attiré l'attention car elles peuvent être énergisées par la lumière. Quand cela arrive, dans leur état excité électroniquement, ils présentent « l'antiaromaticité, " caractérisé par des niveaux d'énergie élevés et une forte instabilité. Cet état excité pourrait être utilisé dans le développement de dispositifs organiques respectueux de l'environnement, tels que les cellules solaires organiques à couche mince et les éléments électroluminescents. Cependant, les détails derrière le caractère électronique de cet état et ses propriétés antiaromatiques sont restés flous.
Dans cette étude, le groupe a appliqué une méthode de résonance paramagnétique électronique à résolution temporelle qui utilise des micro-ondes et des électroaimants pour détecter les propriétés magnétiques d'un intermédiaire réactif. Ils ont observé l'état triplet excité d'une molécule aromatique de Möbius [28] hexaphyrine. Illuminant cette hexaphyrine avec des impulsions laser, ils ont détecté la résonance entre les micro-ondes et les spins électroniques liés au magnétisme de l'état triplet excité et au champ magnétique externe sous forme d'instantané avec une précision de 10 millions de parties par seconde après chaque impulsion laser.
Figure 2 :(a) Le spectre de résonance paramagnétique électronique (TREPR) résolu en temps pour l'état de triplet excité obtenu à partir de [28] hexaphyrine observé à plusieurs temps de retard. A et E montrent les signaux (polarisation de spin électronique) basés sur l'absorption et la libération de micro-ondes. À gauche, les électrons sont excités par la lumière dépolarisée. B 0 et ( L ) montrent la lumière parallèle au champ magnétique externe et perpendiculaire au champ magnétique externe. (b) La distribution des orbitales non appariées (π et π*) qui expriment les directions des axes principaux (X, Oui, Z) pour l'interaction entre les dipôles électriques non appariés montrés par analyse spectrale TREPR. (c) Les électrons dans l'état de transfert de charge triplet. Les configurations de spin triplet parallèles sont montrées dans la bande de Mobius. Cette étude a montré que le changement de moment angulaire entre les orbitales électroniques localisées et se coupant en leur milieu conduit à une désactivation vers l'état fondamental non magnétique, et est un nouveau marqueur de l'antiaromaticité. Crédit :Université de Kobe
Ils ont également modifié l'angle de polarisation de l'impulsion laser par rapport à la direction du champ magnétique externe. Cela leur a permis de clarifier l'emplacement tridimensionnel du spin triplet, ainsi que de prendre 10 millions de « instantanés » par seconde du processus de désactivation sur les sous-niveaux du triplet. Leur analyse a révélé que les molécules à anneau torsadé possèdent un caractère de « transfert de charge » qui libère et localise la charge à angle droit entre les orbitales. Le transfert de charge bloque l'effet stabilisant provoqué par l'interaction d'échange entre les électrons, contribuant ainsi à l'énergie plus élevée pour fournir la source des fortes propriétés antiaromatiques de la molécule.
Les distributions d'électrons dans l'état triplet actuel sont très différentes de celles dans les espèces à l'état singulet excité qui ne présentent pas de magnétisme. Cette étude a démontré que chaque distribution d'électrons est localisée dans une partie de la structure annulaire de la molécule. Ils ont également montré que le changement du moment angulaire orbital entre les orbitales localisées dans l'état triplet conduit à une désactivation rapide d'un sous-niveau à l'état fondamental. Ces relations d'angles orbitaux orthogonaux n'apparaissent que dans la topologie tordue de Möbius, ce qui signifie que le processus de désactivation pourrait offrir de nouveaux outils pour l'indexation du caractère antiaromatique et pour l'analyse de la géométrie de l'état excité.
Le professeur Kobori commente, "Les propriétés électroniques spéciales de cet état excité hautement actif pourraient être appliquées dans des matériaux fonctionnels électroniques, tels que les cellules solaires organiques et les conducteurs électriques, et pourrait potentiellement contribuer à la solution des problèmes énergétiques et environnementaux."
