Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) forment une classe importante de molécules, qui peuvent être considérées comme de petites espèces de graphène et qui jouent un rôle de premier plan dans le développement de l'électronique organique. Les scientifiques de l'Université Radboud, l'Université d'Amsterdam et FOM montrent maintenant que les structures de bord de ces molécules apparemment similaires sont responsables de différences spectaculaires dans les propriétés de transport, permettant une conception plus intelligente de nouveaux matériaux. Communication Nature publie les résultats le 31 août.

Les HAP sont constitués d'anneaux de carbone hexagonaux connectés. Ils sont utiles pour produire des matériaux pour de nouveaux supraconducteurs à l'échelle moléculaire, mais ils présentent également un intérêt astrophysique car une fraction substantielle du carbone interstellaire serait enfermée dans ces molécules très stables. Pour toutes ces applications, une compréhension fondamentale de la distribution des électrons et de sa relation avec les caractéristiques topologiques des HAP est importante. La manière exacte dont les anneaux de carbone sont attachés - la topologie de la molécule - semble jouer ici un rôle majeur, mais on ne savait pas comment. Avec des expériences spectroscopiques avancées au Laboratoire FELIX, le physicien Héctor Alvaro Galué avec des scientifiques de l'Université Radboud et de l'Université d'Amsterdam, a montré que la topologie détermine comment la distribution des électrons est liée à la dynamique vibrationnelle du squelette carboné.

Structures en zigag et fauteuil

Avec le laser à électrons libres FELIX de l'université Radboud, Alvaro Galué a déterminé les spectres vibrationnels de deux ions HAP chargés positivement constitués de cinq hexagones connectés. Le pentacène a une structure de bord en zigzag (Figure 1, à droite et Figure 2, haut) tandis que la structure de bord du picène est communément appelée fauteuil (Figure 1, gauche et Figure 2, bas). De façon inattendue, une comparaison des spectres IR des deux ions HAP a révélé de grandes différences d'intensité pour les vibrations des deux HAP.

L'approximation de Born-Oppenheimer (parmi les physiciens moléculaires) bien connue constitue une séparation stricte entre le mouvement électronique et nucléaire. Cependant, les différences décrites dans les spectres vibrationnels du pentacène et du picène montrent le contraire. Pendant la première partie d'une vibration, un côté de la molécule a une densité électronique plus élevée que l'autre moitié. Pendant la deuxième partie de la vibration, la situation s'inverse :la densité électronique se déplace de ce côté. La situation est comparable à un récipient basculant périodiquement rempli d'eau, faisant couler l'eau d'un côté à l'autre. Le « ballottement » de la densité électronique – le flux d'électrons – améliore l'absorption de la lumière infrarouge à la fréquence spécifique des atomes de carbone en vibration.

Flux d'électrons

La publication actuelle montre que le ballottement de densité électronique dans le picène est amélioré, alors qu'il s'annule largement dans le pentacène. Les calculs suggèrent que ce n'est pas seulement le cas pour le picène et le pentacène, mais que c'est une propriété intrinsèque des HAP avec des structures en zigzag et en bord de fauteuil. Cela fournit des informations précieuses sur les propriétés électroniques de ces deux classes de topologies de PAH (et de graphène).