Les interfaces moléculaires formées entre les métaux et les composés moléculaires ont un énorme potentiel en tant que blocs de construction pour les futurs dispositifs d'optoélectronique et d'électronique de spin. Les complexes de métal de transition phtalocyanine et porphyrine sont des composants prometteurs pour de telles interfaces. Les scientifiques du Forschungszentrum Jülich, en collaboration avec une équipe de scientifiques internationaux, ont travaillé au développement d'un système modèle pour concevoir de tels dispositifs avec des fonctions uniques et des performances améliorées en stabilisant et en contrôlant les états de spin et d'oxydation dans les complexes avec une précision nanométrique. Entre autres choses, ils ont découvert un mécanisme qui pourra être utilisé à l'avenir pour stocker des informations dans les porphyrines ou pour développer des capteurs extrêmement sensibles pour détecter le dioxyde d'azote toxique.

Certains des processus les plus importants dans les systèmes biologiques sont catalysés par des enzymes contenant des ions métalliques, où une réactivité inattendue correspond à de faibles états d'oxydation. Par exemple, les porphyrines, une classe de molécules colorantes, sont impliquées dans la photosynthèse chez les plantes et le transport de l'oxygène dans les globules rouges. Inspirés par leurs fonctions biologiques, les scientifiques ont attribué aux porphyrines un large éventail d'utilisations technologiques. Cependant, toute application pratique de ces complexes organométalliques dans le domaine de la technologie nécessite un contrôle à l'échelle nanométrique des propriétés moléculaires à exploiter.

Un groupe de scientifiques du Forschungszentrum Jülich travaille depuis un certain temps sur ces systèmes dans le but d'affiner leurs propriétés électroniques et magnétiques et de comprendre les mécanismes qui régissent les interactions à l'interface. "Nous avons fait le premier pas dans cette direction en couplant le nickel-porphyrine avec du cuivre, qui est une surface hautement interactive. Cette combinaison unique se traduit par des propriétés vraiment intéressantes :par exemple, le cuivre favorise un transfert de charge important dans la porphyrine. De plus, il déclenche la réduction du métal central, le nickel, rapprochant les caractéristiques de ce système des systèmes biologiques qui nous ont inspirés en premier lieu. Du coup, on s'est demandé pourquoi ne pas aller encore plus loin en utilisant Ni(I)' s haute réactivité ?" explique le Dr Vitaliy Feyer de l'Institut Peter Grünberg de Jülich.

En effet, les ions métalliques Ni(I) de faible valence insaturés à cette interface sont disponibles pour la catalyse, et la fixation de ligands axiaux, tels que de petites molécules diatomiques, offre la possibilité de contrôler davantage les états d'oxydation et de spin. Ce qui semblait être une approche simple a abouti à des découvertes intrigantes :par exemple, l'exposition de l'interface moléculaire à une faible dose de dioxyde d'azote a entraîné le passage de l'ion nickel à un état de spin plus élevé. Même dans un système multicouche enterré, l'ion nickel de faible valence chimiquement actif peut être fonctionnalisé avec du dioxyde d'azote, permettant un réglage sélectif des propriétés électroniques du centre métallique.

La commutation de spin de coordination axiale du ligand à l'interface est un processus réversible, et l'état vierge peut être restauré par le recuit doux de l'interface. Alors que le nickel fonctionne comme un interrupteur de spin réversible à température ambiante, la structure électronique du squelette du macrocycle, où les orbitales frontières sont principalement localisées, n'est pas altérée. "La raison en est que le fort contact de la porphyrine avec le substrat semble se comporter comme une contrepartie énergétique, empêchant d'autres modifications géométriques causées par ce que l'on appelle l'effet trans de surface", explique Iulia Cojocariu, Ph.D. étudiant à l'Institut Peter Grünberg. Cette méthode n'a jamais été observée à température ambiante auparavant et a le potentiel d'être exploitée à l'avenir pour stocker des informations dans des porphyrines ou pour construire des capteurs extrêmement sensibles pour détecter des substances dangereuses telles que le dioxyde d'azote.

La recherche a été publiée dans Small . + Explorer plus loin

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