« Notre travail pourrait ouvrir de nouvelles opportunités dans un large éventail d’applications, telles que les semi-conducteurs, les dispositifs de conversion photoélectrique, les batteries et les catalyseurs », déclare le chef de groupe Aiko Fukazawa de l’Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS).

Le buckminsterfullerène (ou simplement « buckyball ») est une molécule dans laquelle 60 atomes de carbone sont liés pour former une forme sphérique. Il a été nommé d’après des similitudes structurelles avec les dômes géodésiques conçus par le célèbre architecte Buckminster Fuller, et sa structure unique a continuellement suscité l’intérêt des scientifiques. Le buckminsterfullerène et les amas de carbone sphériques associés avec différents nombres d’atomes de carbone sont familièrement connus sous le nom de fullerènes, d’après le nom de famille de Fuller. L’une de leurs caractéristiques les plus intrigantes est leur capacité à accepter des électrons, un processus connu sous le nom de réduction. En raison de leur caractère accepteur d’électrons, les fullerènes et leurs dérivés ont été largement étudiés en tant que matériaux de transport d’électrons dans les transistors à couches minces organiques et le photovoltaïque organique. Néanmoins, les fullerènes sont une classe anormale de matériaux par rapport à tous les autres accepteurs d’électrons organiques conventionnels, en raison de leur robustesse à accepter plusieurs électrons.

Les chimistes théoriques ont proposé trois facteurs possibles qui pourraient être à l’origine de la capacité d’acceptation des électrons du fullerène : la haute symétrie de la molécule entière, ses atomes de carbone avec des liaisons disposées en pyramide et la présence de sous-structures pentagonales réparties entre des anneaux à six chaînons.

L’équipe de Kyoto s’est concentrée sur l’influence des anneaux pentagonaux. Ils ont conçu et synthétisé des fragments aplatis de fullerène et ont confirmé expérimentalement que ces molécules pouvaient accepter jusqu’à un nombre égal d’électrons que le nombre de cycles à cinq chaînons dans leur structure sans décomposition.

« Cette découverte surprenante met en évidence l’importance cruciale de la sous-structure pentagonale pour générer des systèmes acceptant plusieurs électrons stables », déclare Fukazawa.

Des expériences ont également révélé que les fragments affichent une absorbance accrue de la lumière ultraviolette, visible et proche infrarouge par rapport à une absorbance plus limitée par le fullerène lui-même. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités en photochimie, telles que l’utilisation de la lumière pour initier des réactions chimiques ou le développement de capteurs de lumière ou de systèmes à énergie solaire.

L’équipe va maintenant explorer les possibilités offertes par leurs fragments plats de fullerène dans la grande variété d’applications associées aux processus de transfert d’électrons. Il est inhabituel d’obtenir une capacité d’acceptation d’électrons aussi élevée dans des molécules composées uniquement de carbone, évitant l’exigence typique d’introduire d’autres atomes ou groupes fonctionnels attracteurs d’électrons sur une charpente à base de carbone. Continuer à explorer les effets de l’incorporation d’autres atomes ou groupes chimiques, cependant, pourrait donner un contrôle supplémentaire et une polyvalence dans les propriétés chimiques.

« Nous espérons être les pionniers de la science et de la technologie de ce que nous appelons les hydrocarbures acceptant les super-électrons, en tirant parti de leur degré élevé de liberté pour explorer les effets des modifications structurelles », a déclaré Fukazawa.