La longueur de la cha?ne détermine la couleur de la molécule
Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé des polymères fluorescents dont la couleur de fluorescence peut être réglée finement de manière simple. En fonction de leur longueur, les polymères brillent d'une couleur différente. Parmi les applications possibles figurent la biomédecine, l'impression de sécurité et l'énergie solaire.
Les molécules organiques, c'est-à-dire contenant du carbone, qui émettent une lumière colorée après avoir été excitées de manière appropriée, font actuellement l'objet de recherches et de développements intensifs dans le monde entier. Les moteurs de ce champ de recherche sont l'industrie des écrans ainsi que le développement de procédés d'imagerie biomédicale. Alors que jusqu'à présent, les colorants organiques fluorescents permettaient d'obtenir des nuances de couleur précises en mélangeant différentes molécules, les chercheurs de l'ETH ont développé une approche qui permet de produire une palette de couleurs différentes par des adaptations chimiques dans une molécule.
Les scientifiques, dirigés par Yinyin Bao, chef de groupe dans le groupe du professeur ETH Jean-Christophe Leroux, ont utilisé pour cela des polymères organiques fluorescents. Il faut se représenter ces polymères comme des cha?nes mobiles de différentes longueurs. "Les cha?nes ont une structure symétrique, et deux composants à l'intérieur contribuent à la fluorescence", explique Bao. "Il s'agit d'une part d'un composant situé au milieu de la cha?ne, que nous appelons le fluorophore, et d'autre part d'un composant qui se trouve une fois à chaque extrémité de la cha?ne". Entre le fluorophore au milieu de la cha?ne et les extrémités de la cha?ne se trouvent des maillons dont les scientifiques peuvent faire varier le nombre et la structure. Si la cha?ne polymère est pliée de telle sorte que l'une de ses extrémités se trouve à proximité du fluorophore et que la cha?ne est simultanément exposée à la lumière UV, elle devient fluorescente.
La distance influence l'interaction
Les scientifiques ont maintenant pu montrer que la couleur fluorescente ne dépend pas seulement de la structure des maillons et des extrémités de la cha?ne, mais aussi du nombre de maillons. "C'est l'interaction entre l'extrémité de la cha?ne et le fluorophore qui est responsable de la fluorescence de ces polymères", explique Bao. "La distance entre les deux composants influence l'interaction et donc la couleur émise".
Dans une méthode appelée "polymérisation vivante", les chercheurs peuvent déterminer le nombre de maillons de la cha?ne. Pour ce faire, ils ajoutent peu à peu des éléments constitutifs à la cha?ne au cours d'un processus lent. Lorsque la longueur souhaitée est atteinte, les scientifiques peuvent mettre fin au processus et ajouter la molécule de fin de cha?ne. De cette manière, les chercheurs ont fabriqué des polymères de différentes couleurs : avec moins de 18 éléments constitutifs, les molécules émettent une fluorescence jaune, avec 25 maillons de cha?ne, une fluorescence verte et avec 44 maillons ou plus, une fluorescence bleue. "La particularité est que ces polymères à la luminosité différente sont tous composés exactement des mêmes éléments. La seule différence est la longueur de la cha?ne", souligne Bao.
OLED avec une large gamme de couleurs
L'équipe de chercheurs, dont des scientifiques du groupe du professeur de l'ETH Chih-Jen Shih et du Royal Melbourne Institute of Technology en Australie, a publié son travail dans la revue spécialisée page externeScience Advances. Actuellement, les chercheurs ne peuvent produire des polymères fluorescents que dans les couleurs jaune, verte et bleue. Mais les scientifiques sont en train d'étendre le principe à d'autres couleurs, dont le rouge.
Les nouveaux polymères fluorescents ne peuvent pas être utilisés directement comme OLED (LED organiques) dans les écrans, car leur conductivité électrique n'est pas assez élevée, explique Bao. Il est toutefois envisageable de combiner les polymères avec des molécules semi-conductrices afin de produire facilement des OLED avec une large gamme de couleurs. Dans les centrales solaires thermiques (concentrated solar power), ils pourraient en outre collecter plus efficacement la lumière du soleil et augmenter ainsi le rendement des centrales. Le chercheur de l'ETH voit les principaux domaines d'application dans les procédures de diagnostic de laboratoire utilisant la fluorescence, par exemple dans la PCR, ainsi que dans la microscopie et les procédures d'imagerie de la biologie cellulaire et de la médecine. D'autres domaines d'application seraient les caractéristiques de sécurité sur les billets de banque, les certificats ou dans les passeports.
Référence bibliographique
Ye S, Tian T, Christofferson AJ, Erikson S, Jagielski J, Luo Z, Kumar S, Shih CJ, Leroux JC, Bao Y : Continuous color tuning of single-fluorophore emission via polymerization-mediated through-space charge transfer. Science Advances, 7 avril 2021, doi : page externe10.1126/sciadv.abd1794