Comme le démontrent les physiciens de l'Université Ludwig Maximilian de Munich dans une nouvelle étude, les propriétés optiques et photocatalytiques des points dits de carbone peuvent être ajustées avec précision en contrôlant les positions des atomes d'azote introduits dans leur structure.

Grâce à leurs propriétés optiques inhabituelles, les particules de carbone d'un diamètre de l'ordre de quelques nanomètres - ce qu'on appelle les points C - sont très prometteuses pour un large éventail d'applications technologiques, aussi divers que la conversion d'énergie et la bio-imagerie. De plus, Les points C présentent plusieurs avantages pratiques par rapport aux matériaux comparables dans la mesure où ils sont faciles à fabriquer, stable et ne contient pas de métaux lourds toxiques. Leur polyvalence est en grande partie due au fait que - selon leur composition chimique et les aspects de leur structure complexe - ils peuvent soit agir comme émetteurs de lumière sous forme de photoluminescence, soit fonctionner comme photocatalyseurs en absorbant l'énergie lumineuse et en déclenchant des réactions chimiques, comme le fractionnement de l'eau. Cependant, les facteurs qui déterminent ces capacités disparates ne sont pas bien compris. Aujourd'hui, les physiciens du LMU dirigés par le Dr Jacek Stolarczyk se sont penchés de plus près sur les mécanismes sous-jacents à ces propriétés très différentes. Leur étude, qui paraît en ligne dans la revue Communication Nature , montre que les caractéristiques physico-chimiques de ces nanomatériaux peuvent être réglées de manière simple et précise en introduisant de manière contrôlée des atomes d'azote dans leur structure chimique complexe.

"Jusqu'à maintenant, Les points C ont généralement été optimisés sur la base du principe d'essai et d'erreur, " dit Stolarczyk. " Pour dépasser ce stade, il est essentiel d'obtenir une compréhension détaillée des mécanismes qui sous-tendent leurs diverses caractéristiques optiques." L'étude a été réalisée dans le cadre du projet interdisciplinaire "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech) coordonné par le professeur Jochen Feldmann. SolTech est financé par l'Etat de Bavière à explorer des concepts innovants pour la transformation du rayonnement solaire en électricité et l'utilisation de non-fossiles, et de préférence non toxique et disponible en abondance, sources de combustible pour le stockage de l'énergie. Les points C sont à bien des égards parfaitement adaptés à de telles applications.

Les points C sont constitués de réseaux de composés carbonés aromatiques polycycliques, dont les interactions complexes déterminent leur réaction à la lumière. Dans la nouvelle étude, les chercheurs munichois ont synthétisé leurs points C en combinant l'acide citrique comme squelette carboné avec un polymère azoté, et irradier le mélange avec des micro-ondes. Dans une série d'expériences, ils variaient systématiquement la concentration du polymère dans le mélange, de telle sorte que différentes quantités d'azote ont été incorporées dans les réseaux de carbone. Ils ont constaté que les conditions précises utilisées avaient un impact critique sur le mode d'incorporation de l'azote dans les réseaux de carbone qui composent les points C, c'est-à-dire s'il s'est substitué à l'un des atomes de carbone formant les cycles de carbone à 6 chaînons interconnectés ressemblant à de minuscules flocons de graphène, ou dans les cycles à 5 et 6 chaînons trouvés sur les bords libres des structures aromatiques.

"Notre enquête a montré que l'environnement chimique des atomes d'azote incorporés a une influence cruciale sur les propriétés des points C résultants, " dit le Dr Santanu Bhattacharyya, premier auteur de l'article et boursier Alexander-von-Humboldt dans le groupe de recherche du professeur Jochen Feldmann. Incorporation à l'intérieur des structures de type graphène, trouvé à des concentrations de polymère intermédiaires, conduit aux points qui émettent principalement une photoluminescence bleue lorsqu'ils sont irradiés avec une lumière d'une longueur d'onde appropriée. D'autre part, incorporation aux positions de bord, trouvé pour des quantités très élevées ou très faibles du polymère, supprimait la photoluminescence et résultait en des points C qui réduisaient de manière photocatalytique l'eau en hydrogène. En d'autres termes, les propriétés optiques des points C peuvent être modifiées à volonté en faisant varier les détails de la procédure utilisée pour les synthétiser. Les membres de l'équipe LMU pensent que leurs dernières connaissances stimuleront d'autres travaux sur l'utilisation de ces nanomatériaux intrigants, à la fois comme sources lumineuses photoluminescentes et comme photocatalyseurs dans les processus de conversion d'énergie.