Une étude récente menée par des chimistes américains offre une nouvelle perspective sur le développement de matériaux semi-conducteurs capables d’exploiter la chiralité, une caractéristique que leurs homologues traditionnels en silicium ne peuvent pas imiter. Cette découverte pourrait mener à des applications innovantes dans divers domaines, comme l’énergie solaire et l’informatique quantique.
La chiralité est une stratégie utilisée par la nature pour construire des structures complexes. L’exemple le plus connu est peut-être l’hélice double de l’ADN, composée de deux chaînes de molécules reliées par une «colonne vertébrale» moléculaire et tordues vers la droite.
Dans la nature, les molécules chirales, comme les protéines, transportent l’électricité de manière très efficace en transportant sélectivement des électrons de la même direction de spin.
Imiter la chiralité de la nature dans les molécules synthétiques
Les chercheurs travaillent depuis des décennies pour imiter la chiralité de la nature dans les molécules synthétiques.
Une nouvelle étude, dirigée par la professeure de chimie et biomoléculaire Ying Diao, à l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign examine comment diverses modifications d’un polymère non chiral appelé DPP-T4 peuvent être utilisées pour former des structures hélicoïdales chirales dans les matériaux semi-conducteurs à base de polymères.
Les applications potentielles comprennent des cellules solaires qui fonctionnent comme des feuilles, des ordinateurs qui utilisent les états quantiques des électrons pour calculer plus efficacement et de nouvelles techniques d’imagerie qui capturent des informations en trois dimensions plutôt qu’en 2D, pour n’en nommer que quelques-unes.
Des modifications mineures entraînent des changements majeurs
« Nous avons commencé en pensant que de petites modifications de la structure de la molécule DPP-T4 – obtenues en ajoutant ou en changeant les atomes connectés à la colonne vertébrale – modifieraient la torsion, ou la torsion de la structure, et induiraient la chiralité », a indiqué Yin Diao. « Cependant, nous avons rapidement découvert que les choses n’étaient pas aussi simples. »
En utilisant la diffusion des rayons X et l’imagerie, l’équipe a découvert que leurs «légères modifications» entraînaient des changements majeurs dans les phases du matériau.
L’effet Goldilocks
« Ce que nous avons observé est une sorte d’effet Goldilocks », a ajouté le chercheur. « Habituellement, les molécules s’assemblent comme un fil tordu, mais soudainement, lorsque nous tordons la molécule à une torsion critique, elles commencent à s’assembler en nouvelles mésophases sous forme de plaques ou de feuilles plates. En testant comment ces structures pouvaient plier la lumière polarisée – un test pour la chiralité – nous avons été surpris de découvrir que les feuilles peuvent également se tordre en structures chirales cohésives. »
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En synthèse
Cette étude offre une nouvelle perspective sur le développement de matériaux semi-conducteurs capables d’exploiter la chiralité. Les chercheurs ont découvert que de légères modifications de la structure d’une molécule peuvent entraîner des changements majeurs dans les phases du matériau, menant à de nouvelles applications potentielles dans divers domaines, comme l’énergie solaire et l’informatique quantique.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la chiralité ?
La chiralité est une propriété des objets qui ne sont pas superposables à leur image miroir. Dans le contexte de cette étude, elle se réfère à la capacité des molécules à former des structures complexes, comme l’hélice double de l’ADN.
Qu’est-ce que le DPP-T4 ?
Le DPP-T4 est un polymère non chiral qui a été modifié dans cette étude pour former des structures hélicoïdales chirales dans les matériaux semi-conducteurs.
Quelles sont les applications potentielles de cette recherche ?
Les applications potentielles de cette recherche comprennent des cellules solaires qui fonctionnent comme des feuilles, des ordinateurs qui utilisent les états quantiques des électrons pour calculer plus efficacement et de nouvelles techniques d’imagerie qui capturent des informations en trois dimensions plutôt qu’en 2D.
Qu’est-ce que l’effet Goldilocks ?
L’effet Goldilocks, tel qu’observé dans cette étude, se réfère à la découverte que lorsque la molécule DPP-T4 est tordue à une torsion critique, elle commence à s’assembler en nouvelles mésophases sous forme de plaques ou de feuilles plates.
Qu’est-ce que cela signifie pour le futur des matériaux semi-conducteurs ?
Cela signifie que de légères modifications de la structure d’une molécule peuvent entraîner des changements majeurs dans les phases du matériau, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications potentielles dans divers domaines, tels que l’énergie solaire et l’informatique quantique.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| La chiralité est une stratégie utilisée par la nature pour construire des structures complexes. |
| Les chercheurs ont modifié un polymère non chiral, le DPP-T4, pour former des structures hélicoïdales chirales. |
| Les applications potentielles de cette recherche comprennent des cellules solaires qui fonctionnent comme des feuilles, des ordinateurs qui utilisent les états quantiques des électrons pour calculer plus efficacement et de nouvelles techniques d’imagerie qui capturent des informations en trois dimensions plutôt qu’en 2D. |
| De légères modifications de la structure d’une molécule peuvent entraîner des changements majeurs dans les phases du matériau. |
| Lorsque la molécule DPP-T4 est tordue à une torsion critique, elle commence à s’assembler en nouvelles mésophases sous forme de plaques ou de feuilles plates. |
Références
Les résultats de cette étude ont été publiés dans le journal ACS Central Science.
Légende illustration principale : Micrographie optique montrant la phase cristal liquide chirale d’un polymère que les chercheurs étudient pour produire des matériaux semi-conducteurs hautement efficaces. Crédit : Ying Diao Lab
