Les matières organiques colorées fascinent les scientifiques depuis plus de 200 ans déjà. La couleur d'un matériau organique résulte généralement d'interactions lumière-matière qui impliquent des transitions électroniques telles que le transfert de charge (CT) à l'intérieur ou entre les molécules organiques. La recherche moderne a montré qu'en plus d'être des colorants, les matériaux organiques CT peuvent être utilisés pour de nombreuses autres applications telles que le photovoltaïque ou les dispositifs d'éclairage. Pour faciliter ce développement et étudier la formation et les applications de futurs systèmes de transfert de charge supramoléculaires, Andreas Rösch a exploré plusieurs approches pour développer des systèmes de modèles prospectifs.

L'humanité utilise des peintures depuis déjà plus de 40 000 ans pour transmettre des messages et préserver le patrimoine culturel. Alors que les teintures utilisées initialement étaient des produits naturels, les avancées technologiques ont permis d'accéder à des colorants synthétiques tels que les colorants azoïques qui ont révolutionné l'utilisation des couleurs dans la vie quotidienne.

Alors que la recherche sur les systèmes de transfert de charge intermoléculaire (CT) a produit une pléthore de colorants fonctionnels pour diverses applications (opto-)électroniques, la formation de complexes CT entre des molécules individuelles a été utilisée pour la préparation de nombreux systèmes supramoléculaires en solution ou en masse.

Interaction lumière-matière

Aujourd'hui, la couleur d'une molécule de colorant peut être caractérisée par des techniques analytiques telles que la spectroscopie ultraviolet-visible (UV/Vis). En combinaison avec la détermination de la structure chimique et la théorie de la chimie quantique, les relations structure-propriété des colorants organiques ont été étudiées quantitativement.

Une interaction lumière-matière importante qui a souvent été utilisée pour créer des couleurs visibles à l'œil nu est l'absorption de la lumière dans le régime visible. Cette propriété est souvent trouvée dans les matériaux qui présentent un transfert de charge entre les fragments donneurs riches en électrons (D) et accepteurs pauvres en électrons (A).

Selon la structure chimique des composés impliqués, La TDM peut se produire soit par voie intramoléculaire (TIC), c'est-à-dire au sein d'une même molécule, ou intermoléculaire, c'est-à-dire entre deux molécules individuelles. Des exemples importants de composés qui présentent des TIC sont les colorants push-pull. Du fait de leur accessibilité synthétique, propriétés photophysiques accordables et leurs coefficients d'extinction élevés, une variété de ces colorants organiques est déjà utilisée commercialement depuis plus d'un siècle.

Systèmes supramoléculaires

Aujourd'hui, une pléthore de colorants fonctionnels est disponible pour réaliser une variété d'applications (opto-)électroniques telles que des capteurs, appareils d'éclairage et photovoltaïques. Contrairement aux TIC, Le CT intermoléculaire se produit lorsqu'un adduit étroit des fragments D et A de deux molécules différentes est formé.

Cet adduit est alors appelé complexe CT. Un exemple particulièrement célèbre de complexe CT est formé lors du mélange d'iode à une solution aqueuse d'amidon et remarqué par le développement d'une couleur bleue intense. Bien que cette formation de couleur ait déjà été signalée pour la première fois il y a plus de 200 ans, l'enchevêtrement structurel du complexe CT respectif n'a été démêlé que beaucoup plus tard.

Une fois que les exigences structurelles pour former des complexes CT ont été mieux comprises, Les complexes CT pourraient être utilisés pour concevoir des systèmes supramoléculaires, c'est-à-dire pour former des structures fonctionnelles avec des tailles au-delà d'une seule molécule.

Les appareils électroniques du futur

Dans la thèse présentée, Andreas Rösch vise à élargir encore le champ d'application de la préparation et de l'application de systèmes de transfert de charges organiques dans le domaine de la chimie supramoléculaire. Dans la première partie de cette thèse, il a préparé de nouveaux colorants organiques dans lesquels des fragments riches et pauvres en électrons sont connectés de manière covalente. Il montre qu'un mélange des composés forme un matériau semi-conducteur qui non seulement transmet des électrons mais polarise également le spin des électrons.

Étant donné que la génération d'un tel courant polarisé en spin présente un intérêt potentiel pour une application en catalyse asymétrique, il a mis en œuvre les relations structure-propriété acquises dans la conception d'un matériau sans métal connu pour une application en électrocatalyse.

Dans la deuxième partie de la thèse, il a décoré des surfaces avec des réseaux hautement ordonnés de motifs riches et pauvres en électrons. L'une des architectures générées contient des empilements de molécules riches et pauvres en électrons, dans laquelle la proximité étroite des fragments D et A suggère la formation réussie de complexes CT à la surface. Il a montré pour la première fois qu'une telle architecture peut être formée par étapes, approche non covalente. Cette découverte a des implications importantes pour la conception des futurs appareils électroniques avec des dimensions à l'échelle nanométrique.