Inversion légère de la chiralité supramoléculaire

L’auto-assemblage ou l’auto-organisation en science moléculaire fait référence aux phénomènes où les molécules se rassemblent spontanément et forment des structures ordonnées, une propriété unique de matériaux utilisés pour développer des matériaux optiques et électroniques.

Dans une étape vers le réglage fin de cette propriété, les chercheurs du Japon ont réussi à élucider une technique où une petite quantité d’agrégats résiduels a considérablement modifié le processus d’auto-assemblage des molécules photo-répondues.

L’équipe de recherche était dirigée par le professeur Shiki Yagai de la Graduate School of Engineering de l’Université de Chiba, dont le professeur adjoint Takuho Saito de l’Université de Nagoya (au moment de la recherche), M. Daisuke Inuoe et le professeur adjoint Yuichi Kitamoto de l’Université Tohoku, en tant que majeurs contributeurs à cet ouvrage.

Les résultats de leur étude ont été publiés en ligne dans Nanotechnologie de la nature.

Au cours des dernières années, il y a eu un objectif croissant dans la recherche sur le contrôle de la taille et des structures hiérarchiques d’agrégats auto-assemblés, ce qui pourrait aider à atteindre des agrégats avec les propriétés souhaitées. Cependant, l’auto-assemblage est un processus dynamique et nécessite un contrôle précis.

“Pendant le processus d’auto-assemblage, les molécules continuent à plusieurs reprises de s’associer et de se dissocier”, explique le professeur Yagai, “même des impuretés minuscules ou de légers changements dans les conditions peuvent avoir un impact sur la structure finale des agrégats formés”.

Pour l’étude, l’équipe de recherche s’est concentrée sur l’auto-assemblage d’un azobenzène chiral et photooresensif qui forme naturellement des agrégats hélicoïdaux gauchers. L’équipe a découvert que la présence d’une petite quantité d’agrégats résiduels au sein de la solution induit un changement radical dans le processus d’assemblage et conduit à la formation d’agrégats hélicoïdaux droitiers à la place.

De plus, le fait d’être photorétif, le contrôle de l’exposition à la lumière modifie également le moment de l’assemblage moléculaire. En utilisant un contrôle précis de ces deux propriétés ensemble, les chercheurs ont réussi à manipuler la formation d’agrégats hélicoïdaux gauchers ou droitiers au besoin.

Dans les études de modélisation spectroscopique et moléculaire, l’équipe a constaté que lorsque la molécule d’azobenzène en forme de ciseaux est dissoute dans un solvant organique à température ambiante, il forme une structure pliée de type ciseaux fermée qui s’étend encore dans un assemblage hélicoïdal.

Le professeur Yagai explique la formation d’assemblage gauche, disant: “La molécule contient un atome de carbone qui a quatre groupes atomiques différents et présente donc une chiralité. Ces molécules se plient comme des ciseaux gauchers et se tordent pour former un empilement hélicoïdal gauche de l’assemblage.”

Étant donné que ce sont des molécules photooressives, lorsque les structures hélicoïdales empilées sont exposées à une faible lumière ultraviolette (UV), l’assemblage hélicoïdal se rétablit dans les molécules individuelles et lors d’une exposition ultérieure à la lumière visible, les molécules se remettent à nouveau dans les structures hélicoïdales.

Fait intéressant, dans certaines conditions, les agrégats hélicoïdaux résultants se sont révélés à droite au lieu de gauchers, et une exposition à une lumière UV plus forte suivie d’une lumière visible a conduit à la régénération des agrégats hélicoïdaux à gauche à gauche.

En étudiant de près ce mécanisme, l’équipe a constaté que lorsque les solutions étaient exposées à une faible lumière UV, il y avait une minute d’agrégats hélicoïdaux gauchers résiduels qui sont restés inchangés, et ces agrégats agissaient comme des sites de nucléation formant des assemblées hélicoïdales dirigées par oppos.

“Ce phénomène remarquable est appelé« nucléation secondaire », ce qui explique pourquoi les agrégats de droitier méta-stables se forment de préférence au lieu des agrégats gauchers», explique le professeur Yagai.

En plus de cela, l’équipe a également découvert le rôle de l’intensité de la lumière dans le processus d’assemblage moléculaire.

Le professeur Yagai explique: “Nous avons identifié que l’intensité de la lumière visible a potentiellement affecté le calendrier de l’assemblage. Une lumière visible forte favorisait un assemblage rapide tout en minimisant l’influence des agrégats résiduels. En revanche, une intensité plus faible agrandit l’effet des agrégats résiduels.”

Par conséquent, en optimisant les intensités des UV et de la lumière visible, les chercheurs ont réussi à contrôler la commutation entre les structures hélicoïdales gauche et droite, qui dépendaient de l’influence des agrégats résiduels.

De plus, il a également été constaté que les agrégats stables à gauche et les agrégats de droitier méta-stable présentent également une polarisation de spin électronique opposée, ce qui signifie le réglage des caractéristiques électroniques des hélices.

Dans l’ensemble, cette étude visait à explorer le rôle critique des agrégats résiduels et a expliqué comment le réglage fin à la lumière peut entraîner la fabrication de nouveaux matériaux fonctionnels, donnant des informations prometteuses sur le domaine de la science des matériaux.