Les capacités chimiques surprenantes des fragments de fullerènes plats

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Fragments de fullerènes plats

Même sans la symétrie et la courbure des fullerènes, les fragments de fullerènes plats conçus qui ont conservé la sous-structure pentagonale présentent les mêmes propriétés d’acceptation des électrons que les fullerènes. Crédit : YAP Co., Ltd

Les fragments de molécules sphériques « Buckyball » ont une capacité d’acceptation d’électrons stable avec un grand potentiel pratique.

Des chercheurs de l’université de Kyoto, au Japon, ont acquis de nouvelles connaissances sur les propriétés chimiques uniques des molécules sphériques entièrement composées d’atomes de carbone, appelées fullerènes. Ils y sont parvenus en fabriquant des fragments plats de ces molécules, qui ont étonnamment conservé et même amélioré certaines propriétés chimiques essentielles. L’équipe a publié ses résultats dans la revue Nature Communications.

« Nos travaux pourraient ouvrir de nouvelles perspectives dans un large éventail d’applications, telles que les semi-conducteurs, les dispositifs de conversion photoélectrique, les batteries et les catalyseurs », explique Aiko Fukazawa, chef de groupe à l’Institut des sciences intégrées des cellules et des matériaux (iCeMS).

Le buckminsterfullerène (ou simplement « buckyball ») est une molécule dans laquelle 60 atomes de carbone sont liés pour former une forme sphérique. Elle a été nommée ainsi en raison de ses similitudes structurelles avec les dômes géodésiques conçus par le célèbre architecte Buckminster Fuller, et sa structure unique n’a cessé de susciter l’intérêt des scientifiques. Le buckminsterfullerène et les grappes de carbone sphériques apparentées ayant un nombre différent d’atomes de carbone sont connus sous le nom de fullerènes, d’après le nom de famille de Fuller. L’une de leurs caractéristiques les plus intrigantes est leur capacité à accepter des électrons, un processus connu sous le nom de réduction. En raison de leur capacité à accepter les électrons, les fullerènes et leurs dérivés ont fait l’objet d’études approfondies en tant que matériaux de transport d’électrons dans les transistors organiques à couches minces et les systèmes photovoltaïques organiques. Néanmoins, les fullerènes constituent une classe de matériaux anormale par rapport à tous les autres accepteurs d’électrons organiques conventionnels, en raison de leur robustesse à accepter des électrons multiples.

Les chimistes théoriciens ont proposé trois facteurs possibles pour expliquer la capacité du fullerène à accepter les électrons : la symétrie élevée de l’ensemble de la molécule, ses atomes de carbone avec des liaisons pyramidales et la présence de sous-structures pentagonales réparties entre les anneaux à six chaînons.

L’équipe de Kyoto s’est concentrée sur l’influence des anneaux pentagonaux. Ils ont conçu et synthétisé des fragments aplatis de fullerène et ont confirmé expérimentalement que ces molécules pouvaient accepter un nombre d’électrons égal au nombre d’anneaux à cinq chaînons dans leur structure sans se décomposer.

« Cette découverte surprenante souligne l’importance cruciale de la sous-structure pentagonale pour générer des systèmes stables acceptant plusieurs électrons », explique Fukazawa.

Les expériences ont également révélé que les fragments présentent une meilleure absorption de la lumière ultraviolette, visible et proche de l’infrarouge par rapport à l’absorption plus limitée du fullerène lui-même. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités en photochimie, comme l’utilisation de la lumière pour initier des réactions chimiques ou le développement de capteurs de lumière ou de systèmes alimentés par l’énergie solaire.

L’équipe va maintenant explorer les possibilités offertes par ses fragments de fullerène plat dans la grande variété d’applications associées aux processus de transfert d’électrons. Il est inhabituel d’obtenir une capacité d’acceptation d’électrons aussi élevée dans des molécules composées uniquement de carbone, ce qui permet d’éviter l’obligation habituelle d’introduire d’autres atomes ou groupes fonctionnels qui retirent des électrons dans une structure à base de carbone. L’exploration des effets de l’incorporation d’autres atomes ou groupes chimiques pourrait toutefois permettre de mieux contrôler les propriétés chimiques et de les rendre plus polyvalentes.

« Nous espérons ouvrir la voie à la science et à la technologie de ce que nous appelons les hydrocarbures super-acceptant les électrons, en tirant parti de leur haut degré de liberté pour explorer les effets des modifications structurelles », déclare Fukazawa.

Référence : « Flattened 1D fragments of fullerene C60 that exhibit robustness toward multi-electron reduction » par Masahiro Hayakawa, Naoyuki Sunayama, Shu I. Takagi, Yu Matsuo, Asuka Tamaki, Shigehiro Yamaguchi, Shu Seki et Aiko Fukazawa, 15 mai 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-38300-3