Observer une molécule dans tous ses « états »

Résultat scientifique Atomes et molécules

Les différents états (électroniques, vibrationnels, de charge...) d’une
molécule ont été observés simultanément pour la première fois grâce
à un dispositif mis au point par des chercheurs strasbourgeois. Ce
résultat ouvre à la voie à une meilleure compréhension de processus
biologiques ou optoélectroniques.

Selon la manière dont on la stimule et en fonction de son environnement,
une molécule peut subir un grand nombre de transformations. Celles-ci
mettent en jeu des transitions entre différents états de cette molécule, qui
peuvent être, notamment, électroniques, vibrationnels, ou de charge. Ces
transitions sont au coeur d’un grand nombre de processus biologiques,
comme la photosynthèse et la respiration, mais constituent également les
étapes clefs du fonctionnement de dispositifs optoélectroniques organiques,
comme les OLEDs ou les panneaux photovoltaïques organiques. Pour la
première fois, une équipe de l’Institut de physique et chimie des matériaux
de Strasbourg (CNRS/Univ. Strasbourg) a montré qu’il est possible de
sonder simultanément les transitions entre états électroniques, vibroniques
et électrochimiques d’une unique molécule, permettant une meilleure
compréhension des processus biologiques et optoélectroniques évoqués
précédemment.
Les chercheurs ont utilisé la pointe effilée d’un microscope à effet tunnel
pour imager et sonder une unique molécule de phtalocyanine, un pigment
utilisé pour ses propriétés optiques et électroniques. La molécule était
séparée d’un substrat d’or par une fine couche de sel qui permet de
préserver les propriétés de fluorescence du pigment, autrement altérées
par le contact direct avec le métal. Cette couche autorise également le
passage d’un faible courant électrique allant de la pointe au substrat d’or
au travers de la molécule. Dans ces conditions, les auteurs ont montré qu’il
est possible de changer l’état d’oxydation de la molécule, en l’occurrence
de la charger positivement, et de stabiliser cet état suffisamment longtemps
pour en sonder ses propriétés de fluorescence. Ici, le courant électrique
est également utilisé pour stimuler l’émission de lumière. Le spectre
optique obtenu est caractéristique des transitions entre différents états
électroniques de la molécule, qualifiés d’excité et de fondamental, mais
révèle également la signature d’un grand nombre d’états vibrationnels
propres à la molécule chargée, un signal qui n’avait jamais été détecté
auparavant.
Celui-ci nous renseigne notamment sur les mécanismes de couplages
entre états électroniques et vibrationnels qui jouent un rôle essentiel dans
des processus aussi vitaux que la photosynthèse. Il permet également
de caractériser aux plus petites échelles, une classe de molécules, dites
électrofluorochromiques, qui ont la capacité de changer de couleur
d’émission en fonction de leur état de charge, et qui sont particulièrement
importantes pour la réalisation de dispositifs organiques luminescents. Ces
travaux ont été publiés dans la revue Science.

Référence

Electrofluorochromism at the single-molecule level
B. Doppagne, M.C. Chong, H. Bulou, A. Boeglin, F. Scheurer et G. Schull
Science (2018)
DOI: 10.1126/science.aat1603
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Contact

Guillaume Schull
Chargé de recherche au CNRS
Communication INP