La catalyse est au cœur des procédés industriels de fabrication des produits manufacturés et les recherches menées pour développer de nouveaux catalyseurs sont intenses. Parmi les pistes de développement, la photocatalyse, qui utilise la lumière pour convertir des substances organiques, séduit. Et la recherche de systèmes organiques de conversion de l'énergie à un rendement élevé une nécessité pour que la photocatalyse soit compétitive économiquement.
La fission du singulet : un processus quantique hautement efficace
Dans les années 60, un processus photophysique (de mécanique quantique) de conversion de photons en charges a été décrit pour la première fois. La « fission de singulet » permet à un chromophore excité dans l'état singulet S1 de partager son excitation avec un chromophore voisin dans l'état S0, le partage de cette énergie ayant pour effet une conversion des deux chromophores dans l'état triplet T1. Les deux chromophores excités sont alors susceptibles de transférer deux charges vers un accepteur. Ainsi, ce phénomène permet d'atteindre un rendement théorique de conversion de 200%. Mais il est rare : seules quelques familles de chromophores possèdent les niveaux électroniques adéquats pour permettre la fission de singulet.
Très récemment, l'équipe de Bruno Robert (I2BC) a décrypté le phénomène de dissipation d'énergie par fission du singulet dans deux caroténoïdes de fleur, la lutéine et la violaxanthine. Leur étude avait été menée sur des agrégats de caroténoïdes et avait conduit à une description complète de la voie de fission du singulet, notamment en mesurant tous les états d'énergie des espèces intermédiaires (voir actualité du 30/08/2021).
Une molécule modèle pour des appilications en phase aqueuse
Afin de pouvoir envisager des applications en milieu aqueux et de contourner certaines limites de ces chromophores naturels, la même équipe a travaillé sur un modèle synthétique d'antennes à base de pérylène, aussi capable de conduire à la fission du singulet.
Leur étude publiée dans
Chemical Science[1] montre que le composé pérylène-3.4.9.10-tetracarboxylate se dimérise de façon dynamique en solution aqueuse et que la durée de vie d'un dimère est suffisamment longue pour que la fission du singulet puisse survenir. Grâce à des méthodes spectroscopiques résolues dans le temps (spectroscopie d'absorption transitoire), de spectroscopie de fluorescence, de spectroscopie RMN et de modélisation, l'équipe a pu caractériser les interactions entre molécules et identifier précisément les différentes espèces transitoires. Les chercheurs montrent que de petites variations dans les modes d'association des molécules influent sur les processus photophysiques (fission du singulet et transfert de charge) induit par la photoexcitation et que l'efficacité des processus dépend grandement de la conformation dynamique.
Ces résultats sont essentiels et ouvrent de nouvelles voies de recherche pour le développement de systèmes photocatalytiques efficients en milieu aqueux.
L’équipe vient récemment de démontrer que le phénomène de fission du singulet se produit également dans des agrégats d’un caroténoïde naturel, le lycopène : bien que ces agrégats soient hétérogènes – ils contiennent au moins quatre espèces agrégées aux dynamiques très différentes –, toutes les espèces agrégées de lycopène forment des états triplets de longue durée par fission de singulet. L’étude a été publiée dans Scientific Reports.[2]
Contact Institut des sciences du vivant Frédéric-Joliot :