Les systèmes photosynthétiques dans la nature transportent très efficacement l'énergie vers un centre de réaction, où il est converti en une forme utile pour la plante. Les scientifiques s'en sont inspirés pour apprendre à transporter efficacement l'énergie dans l'électronique moléculaire et d'autres technologies. Le physicien Richard Hildner de l'Université de Groningue et ses collègues ont étudié le transport de l'énergie dans un système artificiel fait de nanofibres. Les résultats ont été publiés dans le Journal de l'American Chemical Society .

"Les systèmes photosynthétiques naturels ont été optimisés par des milliards d'années d'évolution. Nous avons trouvé cela très difficile à copier dans les systèmes artificiels, " explique Hildner, professeur agrégé à l'Université de Groningue. Dans les complexes de récolte de lumière de bactéries ou de plantes, la lumière est convertie en énergie, qui est ensuite transporté vers le centre de réaction avec des pertes minimales.

Liasses

Il y a cinq ans, Hildner et ses collègues ont développé un système dans lequel des molécules en forme de disque étaient empilées dans des nanofibres d'une longueur supérieure à 4 micromètres et d'un diamètre de seulement 0,005 micromètre. Par comparaison, le diamètre d'un cheveu humain est de 50 à 100 micromètres. Ce système peut transporter de l'énergie comme les antennes des systèmes photosynthétiques. "Mais nous avons parfois vu que le transport d'énergie se coinçait au milieu de nos fibres de quatre micromètres de long. Quelque chose dans le système semblait instable, " se souvient-il.

Pour améliorer l'efficacité du transport d'énergie, Hildner et ses collègues ont créé des faisceaux de nanofibres. "C'est la même idée que celle qui est utilisée dans l'électronique normale :des fils de cuivre très fins sont regroupés pour créer un câble plus robuste." Cependant, les nanofibres groupées se sont avérées moins bonnes pour le transport de l'énergie que les fibres simples.

La cohérence

La raison en est un phénomène appelé cohérence. Lorsque de l'énergie est injectée dans les molécules qui composent les fibres, il crée un état excité ou exciton. Cependant, cet état excité n'est pas un paquet d'énergie associé à une seule molécule. Hildner :« L'énergie est délocalisée sur plusieurs molécules et elle peut, donc, déplacer rapidement et efficacement à travers la fibre. » Cette délocalisation signifie que l'énergie se déplace comme une onde d'une molécule à l'autre. En revanche, sans cohérence, l'énergie est limitée à une seule molécule et doit sauter d'une molécule à l'autre. Un tel saut est un moyen beaucoup plus lent de transporter l'énergie.

« Dans les liasses, la cohérence est perdue, " explique Hildner. Ceci est causé par la contrainte que le faisceau impose à chaque fibre à l'intérieur. " Les fibres sont comprimées, et cela provoque l'écrasement des groupes latéraux des molécules." Cela change le paysage énergétique. Dans une seule fibre, les énergies des états excités de plusieurs molécules voisines sont au même niveau. En paquet, les environnements locaux des molécules diffèrent, entraînant une différence de niveau d'énergie.

Tour à vélo

"Imaginez que vous faites un tour à vélo. Le profil en hauteur du tour représente les niveaux d'énergie dans les molécules qui composent les fibres, " dit Hildner. " Si vous faites du vélo aux Pays-Bas, vous arriverez à destination rapidement car le terrain est plat. En revanche, Dans les alpes, vous devez faire du vélo en montée assez souvent, ce qui est dur et vous ralentit." Ainsi, lorsque les niveaux d'énergie des molécules dans les fibres sont différents, le transport devient plus difficile.

Cette découverte signifie que l'idée originale de l'équipe d'augmenter l'efficacité du transport d'énergie à l'aide de faisceaux de nanofibres s'est avérée un échec. Cependant, ils en ont tiré de précieuses leçons, qui peut maintenant être utilisé par les physiciens théoriques pour calculer comment optimiser le transport dans les fibres moléculaires. « Mes collègues de l'Université de Groningue font actuellement exactement cela. Mais nous savons déjà une chose :si vous voulez un bon transport d'énergie dans les nanofibres, n'utilisez pas de forfaits."

Résumé scientifique simple

Les plantes et les bactéries photosynthétiques captent la lumière du soleil via des antennes moléculaires, qui transfèrent ensuite l'énergie à un centre de réaction avec des pertes minimales. Les scientifiques aimeraient fabriquer des fils moléculaires capables de transférer de l'énergie tout aussi efficacement. Des scientifiques de l'Université de Groningue ont créé de minuscules fibres en empilant certaines molécules ensemble. Les fibres simples transportent l'énergie, même s'ils fonctionnent parfois mal. La création de faisceaux de fibres (comme cela se fait avec le câblage en cuivre) était considérée comme la solution mais cela s'est avéré ne pas être le cas. L'énergie se déplace rapidement lorsqu'elle est répartie sur plusieurs molécules. En fibres simples, cela fonctionne bien mais en fibres groupées, cet étalement est entravé car les molécules subissent une contrainte. Ces résultats peuvent être utilisés pour mieux comprendre le transport de l'énergie le long des fils moléculaires, ce qui aidera à la conception de meilleurs fils.