Les fils moléculaires torsadés présentent une conductivité élevée à molécule unique

Des fils à haute tension qui transportent l’électricité sur de longues distances aux filaments de tungstène de nos lampes à incandescence, nous avons peut-être pris l’habitude de penser que les conducteurs électriques sont toujours en métal. Mais depuis des décennies, les scientifiques travaillent sur des matériaux avancés à base de chaînes d’oligomères à base de carbone qui peuvent également conduire l’électricité. Il s’agit notamment des dispositifs électroluminescents organiques que l’on trouve dans certains smartphones et ordinateurs modernes.

En mécanique quantique, les électrons ne sont pas simplement des particules ponctuelles avec des positions définies, mais peuvent plutôt se « délocaliser » sur une région. On dit qu’une molécule avec une longue séquence de liaisons simples et doubles alternées a une conjugaison pi, et les polymères conducteurs fonctionnent en permettant aux électrons délocalisés de sauter entre des régions conjuguées pi, un peu comme une grenouille sautant entre des flaques d’eau voisines.

Cependant, l’efficacité de ce procédé est limitée par les différences de niveaux d’énergie des régions adjacentes. La fabrication d’oligomères et de polymères avec des niveaux d’énergie plus uniformes peut conduire à une conductivité électrique plus élevée, ce qui est nécessaire pour le développement de nouveaux composants électroniques organiques pratiques, voire de fils à molécule unique.

Or, dans une étude publiée dans Journal de la Société américaine de chimieDes chercheurs du SANKEN (Institut de recherche scientifique et industrielle) de l’Université d’Osaka ont créé plusieurs fils moléculaires à l’échelle nanométrique avec des torsions périodiques.

Par rapport aux tentatives précédentes qui utilisaient une longue chaîne pouvant tourner de manière aléatoire, ces oligomères étaient constitués de régions fusionnées rigides séparées par des torsions régulièrement espacées. Les chercheurs ont montré que leurs échantillons présentaient une conductivité plus élevée que celle trouvée dans les oligothiophènes non fusionnés.

« En contrôlant soigneusement la taille de ces régions pi-conjuguées, une conductance moléculaire unique élevée a été obtenue dans ces oligomères en utilisant des structures moléculaires rigides », explique Ryo Asakawa, auteur principal de l’étude.

Les chercheurs espèrent que cette méthode pourra être appliquée à la fabrication de nouveaux dispositifs électroniques organiques, qui peuvent être fabriqués à moindre coût sous forme de films chimiques minces appliqués sur des substrats flexibles, par rapport aux méthodes conventionnelles à base de silicium, qui nécessitent souvent des salles blanches spéciales pour être produites par lithographie.

« Nous espérons que ces recherches permettront de mettre au point de meilleurs dispositifs électroniques à molécule unique et à couches minces organiques », explique l’auteur principal Yutaka Ie. Des fils moléculaires individuels pourraient même être utilisés comme capteurs biocompatibles à l’intérieur des cellules vivantes.