Les vibrations moléculaires à haute fréquence déclenchent un mouvement d’électrons

Que ce soit dans les cellules solaires ou dans l’œil humain, chaque fois que certaines molécules absorbent la lumière, les électrons à l’intérieur se déplacent de leur état fondamental dans un état plus élevé et excité. Il en résulte le transport d’énergie et de charge, conduisant à la séparation des charges et éventuellement à la production d’électricité.

Une équipe internationale de scientifiques dirigée par le Dr Antonietta de Sio et le professeur Dr Christoph Lienau du groupe de recherche en nano-optiques ultrafast à l’Université d’Oldenburg, en Allemagne, a maintenant observé les premières étapes de ce processus dans une molécule de teinture complexe. Comme le rapportent les chercheurs dans Chimie de la natureles vibrations à haute fréquence des noyaux atomiques dans la molécule jouent un rôle central dans ce transfert de charge induit par la lumière.

Leurs expériences ont montré que les forces que ces vibrations exercent sur les électrons intègrent le transport de charge, tandis que les processus dans le solvant environnant, qui étaient précédemment supposés pour initier le transfert de charge, ne commencent qu’à un stade ultérieur.

“Nos résultats fournissent de nouvelles informations pour une meilleure compréhension du transport de charges, par exemple dans les cellules solaires organiques, et pourraient contribuer au développement de matériaux plus efficaces”, souligne De Sio.

Le colorant à l’étude a été synthétisé par un groupe de chercheurs dirigée par le professeur Peter Bäuerle de l’Université d’Ulm, également en Allemagne. Ce type de molécule de colorant est le composant de base d’un plastique utilisé dans les cellules solaires organiques pour convertir la lumière du soleil en électricité.

“Les molécules se composent chacune de trois unités – une unité centrale centrale liée à deux groupes identiques, un à droite et un sur le côté gauche”, explique De Sio.

L’unité centrale de la molécule est un donneur d’électrons – un matériau qui abandonne facilement les électrons. Les deux groupes extérieurs, en revanche, peuvent accepter des électrons excités. Ils sont connus sous le nom d’accepteurs d’électrons. Lors de l’excitation légère, les électrons peuvent donc, en théorie, se déplacer vers l’une des deux unités acceptantes, celle à droite ou celle à gauche.

Ce processus, connu sous le nom de rupture de symétrie à l’état excité, produit un déplacement caractéristique de la couleur de la lumière émise par la molécule – un effet appelé solvatochromisme – le transformant du bleu au rouge. Cependant, le mécanisme microscopique qui déclenche la rupture initiale de la symétrie était largement inconnu jusqu’à présent.

L’équipe d’Oldenburg a décidé d’examiner de plus près le processus de rupture de symétrie. Les doctorants Katrin Winte et Somayeh Souri ont utilisé des techniques de spectroscopie laser ultra-dérivante avec une résolution temporelle inférieure à 10-10-femtoseconde (une fémtoseconde est égale à un millionième de milliardième de seconde) pour exciter les molécules de colorant. Avec cette méthode, ils ont pu suivre les mouvements des électrons et des noyaux dans les premiers mille Femtosecondes après excitation légère.

Leurs expériences ont montré que les impulsions laser déclenchent des vibrations à haute fréquence entre les atomes de la molécule de colorant au cours des 50 premiers fémtosecondes après photoexcitation.

“Les atomes de carbone dans la molécule commencent à vibrer”, clarifie De Sio.

Ces vibrations modifient les états d’énergie dans la molécule, créant une direction de mouvement préférée pour les électrons excités. En revanche, les molécules de l’environnement de solvant environnant semblent être “gelées” sur cette échelle de temps – seulement sur une échelle de temps plus lente de plusieurs centaines de Femtosecondes ne réorganisent pas et stabilisent également le processus d’évacuation de symétrie de sorte que la molécule s’installe en un nouvel état, qui produit le décalage caractéristique dans le spectre de couleurs émis.

Pour confirmer ces résultats inattendus, les chercheurs ont répété l’expérience avec un autre solvant dans lequel le solvatochromisme – l’interaction entre le colorant et le solvant – ne se produit pas. Néanmoins, ici aussi, les vibrations intramoléculaires initiales ont été observées.

Des simulations chimiques quantiques réalisées en collaboration avec des chercheurs du Los Alamos National Laboratory aux États-Unis et de l’Université de Brême en Allemagne ont soutenu les résultats expérimentaux.

“Nos résultats fournissent des preuves convaincantes du rôle dominant du couplage vibronique aux vibrations moléculaires à haute fréquence, et non aux fluctuations des solvants, comme le principal moteur de la rupture de symétrie ultra-rapide dans les colorants quadrupolaires”, explique Lienau, et ajoute que ce mécanisme peut également s’appliquer aux matériaux et aux nanostructures à l’état solide.

“Le contrôle de l’interaction des charges avec les vibrations moléculaires et avec l’environnement environnant est essentiel pour les applications technologiques de ces matériaux”, souligne De Sio. “En tant que tels, nos résultats peuvent avoir des implications significatives pour la conception de matériaux efficaces sensibles à la lumière, ainsi que pour faire progresser notre compréhension du transport de charge induit par la lumière dans les systèmes à l’échelle nanométrique.”