De nouveaux métallofullerènes accordables sont développés par une équipe de recherche comprenant des scientifiques de l'Université d'électro-communications, Tôkyô.

De minuscules molécules nanométriques sous forme de cages sphériques en carbone, ou 'fullerenes', ont fait l'objet d'une attention considérable ces dernières années. Des groupes d'atomes individuels ou petits peuvent être piégés à l'intérieur des fullerènes, créer des molécules stables avec des structures électroniques uniques et des propriétés inhabituelles qui peuvent être exploitées dans le domaine des nanomatériaux et de la science biomédicale.

Les métallofullerènes endoédriques (CEM) sont l'une de ces classes de molécules, dans lequel un ou plusieurs atomes métalliques sont encapsulés à l'intérieur de nombreux types de cages en carbone. Surtout, le ou les atomes métalliques ne sont pas liés chimiquement aux enveloppes de carbone, mais ils donnent des électrons à la cage de carbone. Les scientifiques ont récemment commencé à comprendre comment contrôler le mouvement, comportement et positionnement des atomes enfermés en ajoutant d'autres atomes, tels que le silicium ou le germanium (dans leurs groupements silyle ou germyle), à la surface du fullerène. Cela permet la manipulation et le réglage fin des propriétés de l'EMF.

Maintenant, Masahiro Kako et ses collègues de l'Université d'électro-communications de Tokyo, avec des scientifiques du Japon et des États-Unis, ont créé et analysé les effets de la silylation et de la germylation sur un CEM appelé Lu3N@Ih-C80 (trois atomes de lutétium liés à un atome d'azote enfermé dans une cage de carbone 80).

En utilisant la cristallographie aux rayons X, analyses électrochimiques et calculs théoriques, l'équipe a découvert que l'ajout de groupes silyle ou germyle à la structure du fullerène était un moyen polyvalent de contrôler les propriétés électroniques de la CEM. Le positionnement exact des groupes silyle ou germyle dans la liaison à la structure carbonée a déterminé les lacunes énergétiques présentes dans l'EMF, et déterminé l'orientation des atomes métalliques liés à l'intérieur de la cage.

Les groupes germyle ont donné plus d'électrons et le processus a fonctionné légèrement plus efficacement que les groupes silyle, mais Kako et son équipe pensent que les deux fournissent un moyen efficace d'affiner les caractéristiques électroniques des champs électromagnétiques.

Une brève histoire des fullerènes

Les fullerènes sont des molécules de carbone qui prennent la forme de sphères. Le fullerène le plus connu et le plus abondant est le buckminsterfullerène, ou "buckyball", C60, qui ressemble à un ballon de football en forme avec un atome de carbone lié à chaque point de chaque polygone.

métallofullerènes endoédriques, ou CEM, sont créés en piégeant un ou des atomes de métal à l'intérieur d'une cage de fullerène, un peu comme un hamster en boule. Le ou les atomes piégés ne sont pas liés chimiquement au carbone, mais ils interagissent avec lui en donnant des électrons, créant ainsi des molécules uniques et très utiles pour la science des nanomatériaux et la biomédecine.

Silylation et germylation

L'ajout d'autres atomes aux surfaces du fullerène peut affecter les propriétés des CEM, en régulant le comportement des atomes métalliques à l'intérieur de la cage des fullerènes. Dans une CEM, le mouvement des atomes de lanthane est limité à deux dimensions par l'ajout de groupes silyle à la cage carbonée. Cela modifie les potentiels électrostatiques à l'intérieur de la cage et restreint la mobilité des atomes de lanthane, et modifie ainsi les propriétés globales de la molécule entière.

Cette étude de Masahiro Kako et de ses collègues améliore encore la compréhension des effets de la silylation et de la germalytion (l'ajout de groupes à base de silicium et de germanium) sur les CEM à base de lutétium. L'équipe a montré que le positionnement exact des atomes supplémentaires dans la structure du carbone peut influencer les écarts énergétiques à travers la molécule, leur permettant ainsi d'ajuster les propriétés électroniques de l'EMF. Cette capacité à "affiner" les CEM pourrait avoir des applications pour les matériaux fonctionnels en électronique moléculaire, comme les accepteurs dans les dispositifs photovoltaïques organiques.

Kako et son équipe espèrent mener d'autres recherches sur l'ajout de groupes d'atomes alternatifs aux fullerènes, à ajouter aux propriétés d'accord des groupes à base de silicium et de germanium. Cela pourrait étendre la polyvalence des CEM et leurs applications potentielles à l'avenir.