Le contrôle basé sur la pression permet d’accorder des matériaux de fission singulet pour une photoconversion efficace

La fission singulet (SF) est un processus dans lequel un chromophore organique (une molécule qui absorbe la lumière) dans un état singulet excité transfère de l’énergie à un chromophore voisin, résultant en deux paires d’excitons triplets corrélés (paires d’états liés électron-trou, un ” trou” signifiant l’absence d’électron) qui se désintègrent en excitons triplet de basse énergie. Ces excitons ont de longues durées de vie et présentent une émission de lumière efficace, ce qui rend le SF prometteur pour une conversion efficace de l’énergie lumineuse.

Cependant, la conception moléculaire des matériaux à base de SF est limitée par l’exigence selon laquelle l’énergie de l’état singulet excité doit être au moins égale à l’énergie des deux états triplets. Une façon de surmonter cette limite consiste à appliquer des stimuli externes, tels que la température ou la pression, pour manipuler le processus SF.

Maintenant, dans une étude collaborative publiée dans la revue Sciences chimiquesle professeur Gaku Fukuhara de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et le professeur Taku Hasobe de l’Université Keio au Japon démontrent, pour la première fois, une stratégie basée sur la pression hydrostatique pour contrôler la dynamique du processus SF, ouvrant les portes à la conception et fabrication de nouveaux matériaux accordables à base de SF.

“Nous avons démontré la formation et la dissociation sous contrôle de la pression hydrostatique de paires de triplets corrélées dans le SF au moyen d’une spectrométrie UV/vis et de fluorescence dépendante de la pression, ainsi que de mesures de durée de vie de fluorescence et d’absorption transitoire en nanosecondes”, expliquent les professeurs Fukuhara et Hasobe.

Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé un dimère de pentacène à pont biphényle comme chromophore modèle et ont testé sa réponse pour une gamme de pressions hydrostatiques, de 0,1 MPa (pression atmosphérique) à 180 MPa, dans trois solvants différents : le toluène, le méthylcyclohexane et le tétrahydrofurane.

À l’aide d’un appareil haute pression sur mesure, les chercheurs ont mesuré le taux de génération d’excitons à différentes pressions en surveillant la décroissance de la durée de vie de la fluorescence du chromophore, qui indique combien de temps le chromophore met pour émettre un photon après l’excitation initiale. Ils ont découvert que la constante de vitesse pour la génération de paires d’excitons triplets corrélés augmentait avec la pression, indiquant qu’une pression plus élevée conduit à un processus SF plus rapide.

En utilisant la technique d’absorption transitoire nanoseconde, les chercheurs ont ensuite suivi la désintégration des excitons triplets et ont découvert qu’ils avaient des durées de vie raccourcies sous haute pression.

Sur la base du calcul du rendement quantique et des estimations thermodynamiques, les chercheurs ont découvert deux mécanismes sous-jacents à la génération de paires corrélées et d’excitons individuels. Dans le cas des paires d’excitons corrélés, le processus SF était entraîné par la solvatation et la désolvatation de la molécule, conduisant à une structure d’exciton plus compacte et thermodynamiquement stable que le chromophore excité. En revanche, les excitons individuels produits par le processus de dissociation se sont avérés plus volumineux sur le plan thermodynamique, ce qui a pour effet de regrouper les molécules de solvant et de les désactiver à des pressions élevées.

Avec ces découvertes, les chercheurs ont mis en lumière les interactions entre les différents systèmes (pression, solvant, chromophore, excitons) impliqués dans le processus SF, suggérant une alternative appropriée à la stratégie de contrôle conventionnelle du SF.

“Notre étude offre une nouvelle perspective sur le contrôle du SF intramoléculaire en utilisant la pression hydrostatique comme stimulus externe. Ce concept de contrôle dynamique pourrait être étendu à d’autres échafaudages SF et aux systèmes pertinents qui sont difficiles à contrôler à la fois dans les états fondamental et excité”, spécule le professeur Fukuhara et le professeur Hasobe.

Nous pouvons certainement espérer voir l’application de matériaux à base de SF dans la conception de cellules solaires organiques efficaces et de dispositifs de photoconversion.