Une nouvelle étude menée par des chimistes de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign fournit de nouvelles informations sur le développement de matériaux semi-conducteurs capables de faire des choses que leurs homologues traditionnels en silicium ne peuvent pas faire : exploiter le pouvoir de la chiralité, une image miroir non superposable.
La chiralité est l’une des stratégies naturelles permettant de créer de la complexité dans les structures, la double hélice de l’ADN étant peut-être l’exemple le plus connu : deux chaînes moléculaires reliées par une « colonne vertébrale » moléculaire et tordues vers la droite.
Dans la nature, les molécules chirales telles que les protéines conduisent l’électricité de manière très efficace en transportant sélectivement les électrons ayant la même direction de spin.
Les chercheurs travaillent depuis des décennies pour imiter la chiralité naturelle dans des molécules synthétiques. Une nouvelle étude menée par le professeur de chimie chimique et biomoléculaire Ying Diao examine dans quelle mesure diverses modifications d’un polymère non chiral appelé DPP-T4 peuvent être utilisées pour former des structures hélicoïdales chirales dans des matériaux semi-conducteurs à base de polymère. Les applications potentielles incluent les cellules solaires qui fonctionnent comme des feuilles, les ordinateurs qui utilisent les états quantiques des électrons pour calculer plus efficacement et les nouvelles techniques d’imagerie qui capturent des informations tridimensionnelles plutôt que bidimensionnelles, pour n’en nommer que quelques-unes.
Les résultats de l’étude seront publiés dans la revue spécialisée ACS Science centrale.
« Nous avons initialement émis l’hypothèse que de petits changements dans la structure de la molécule DPP-T4 – obtenus en ajoutant ou en modifiant les atomes connectés au squelette – modifieraient la torsion ou la torsion de la structure et induiraient une chiralité », a déclaré Diao. « Mais on s’est vite rendu compte que les choses n’étaient pas si simples. »
En utilisant la diffusion et l’imagerie des rayons X, l’équipe a découvert que leurs « légers changements » provoquaient d’importants changements dans les phases du matériau.
« Ce que nous avons observé est une sorte d’effet Boucle d’or », a déclaré Diao. « Normalement, les molécules s’assemblent comme un fil torsadé, mais soudain, lorsque nous tordons la molécule jusqu’à atteindre une torsion critique, elles commencent à s’assembler en de nouvelles mésophases sous la forme de plaques ou de feuilles plates. « Nous avons été surpris de découvrir que les couches peuvent également se transformer en structures chirales cohérentes en utilisant une lumière polarisée, un test de chiralité. »
Les résultats de l’équipe mettent en évidence le fait que tous les polymères ne se comportent pas de la même manière lorsqu’ils sont optimisés pour imiter un transport efficace d’électrons dans des structures chirales. L’étude rapporte qu’il est important de ne pas négliger les structures complexes de mésophase formées afin de découvrir des phases inconnues pouvant conduire à des propriétés optiques, électroniques et mécaniques auparavant inimaginables.
Diao est également affilié à la science et à l’ingénierie des matériaux, à la chimie, au Laboratoire de recherche sur les matériaux et au Beckman Institute for Advanced Science and Technology dans l’Illinois.
L’Office of Naval Research, l’Air Force Office of Scientific Research, la National Science Foundation et le département américain de l’Énergie ont soutenu cette recherche.