Des chercheurs de l’Université d’Osaka et de l’Université de la ville d’Osaka synthétisent et cristallisent une molécule qui est autrement trop instable pour être étudiée pleinement en laboratoire, et qui constitue un modèle d’une classe révolutionnaire d’aimants.
Depuis la première production signalée en 2004, les chercheurs travaillent d’arrache-pied à l’utilisation du graphène et de matériaux similaires à base de carbone pour révolutionner l’électronique, le sport et de nombreuses autres disciplines. Aujourd’hui, des chercheurs japonais ont fait une découverte qui va faire progresser le domaine longtemps méconnu des aimants en nanogravure.
Dans une étude récemment publiée dans Journal of the American Chemical Societydes chercheurs de l’université d’Osaka et leurs partenaires ont synthétisé un nanogène cristallin doté de propriétés magnétiques prédites théoriquement depuis les années 1950, mais qui n’avaient pas encore été confirmées expérimentalement, sauf à des températures extrêmement basses.
Structure et distribution de la densité de spin du Triangulène. Crédit : Shinobu Arikawa et al.
Le graphène est une couche unique, une feuille bidimensionnelle d’anneaux de carbone disposés en réseau en nid d’abeille. Pourquoi le graphène intéresse-t-il les chercheurs ? Le graphène possède des propriétés impressionnantes : il présente un transport de charges efficace sur de longues distances et sa résistance est bien supérieure à celle de l’acier de même épaisseur. Les nanostructures de graphène ont des bords qui présentent des propriétés magnétiques et électroniques que les chercheurs aimeraient exploiter. Cependant, les nanoplaquettes de graphène sont difficiles à préparer et il est difficile d’étudier les propriétés de leurs bords en zigzag. Les chercheurs de l’université d’Osaka ont tenté de surmonter ces difficultés en utilisant un système modèle plus simple, mais avancé, connu sous le nom de triangulène.
“Le triangulène a longtemps échappé à la synthèse sous forme cristalline en raison de sa polymérisation incontrôlée”, expliquent Shinobu Arikawa et Akihiro Shimizu, deux auteurs clés de l’étude. “Nous avons empêché cette polymérisation par une protection stérique, c’est-à-dire par l’encombrement de la molécule, sans que cela n’affecte ses propriétés sous-jacentes.”
Distribution de densité de spin du triangulène et modèle de remplissage de l’espace et structure cristalline des dérivés du triangulène. Crédit : Shinobu Arikawa et al.
Le dérivé du triangulène des chercheurs est stable à température ambiante mais doit être conservé dans une atmosphère inerte car il se dégrade lentement lorsqu’il est exposé à l’oxygène. Néanmoins, la cristallisation a été possible, ce qui a permis de confirmer ses propriétés prédites par la théorie, comme la localisation des électrons non appariés sur les bords en zigzag de la molécule.
“En mesurant ses propriétés optiques et magnétiques, nous avons confirmé que notre molécule se trouve dans l’état fondamental triplet”, explique Ryo Shintani, auteur principal. “C’est un état électronique qui peut servir de modèle expérimentable pour le nanogène à bords en zigzag.”
Ces résultats ont des applications importantes. Les chercheurs peuvent étendre la procédure de synthèse longtemps recherchée rapportée ici pour augmenter le nombre de cycles carbonés dans la molécule et réaliser des synthèses chimiques de formes avancées de nanographène. Ce faisant, les chercheurs de l’université d’Osaka et de l’université de la ville d’Osaka pourraient être en mesure de synthétiser des matériaux qui sont à la base de l’électronique et des aimants avancés du futur, et de compléter le silicium qui est omniprésent dans l’électronique moderne.
Référence : “Synthèse et isolation d’un triangulène cristallin cinétiquement stabilisé” par Shinobu Arikawa, Akihiro Shimizu, Daisuke Shiomi, Kazunobu Sato et Ryo Shintani, 12 novembre 2021, Journal de la société chimique américaine.
DOI : 10.1021/jacs.1c10151
