Un nouvel éclairage pour les LED inspiré des machines moléculaires

Certains complexes de cuivre¹ ont joué un rôle majeur dans le développement de molécules entrelacées pour l’élaboration de machines moléculaires, les caténanes, les rotaxanes et les nœuds. Une recherche pour laquelle Jean-Pierre Sauvage notamment a reçu le Prix Nobel 2016. Mais quelles pourraient être les applications de ces fameuses molécules ?

Dans une publication récente dans la revue Journal of the American Chemical Society, des chercheurs du Laboratoire de Chimie des Matériaux Moléculaires et de l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (CNRS/Université de Strasbourg) et du Laboratoire de Chimie de Coordination du CNRS lancent une piste. Les complexes de cuivre pourraient être exploités pour préparer des matériaux luminescents indispensables pour concevoir des diodes électroluminescentes (LED) performantes.

Les diodes électroluminescentes (LED) sont composées de semi-conducteurs dans lesquels on a inséré des impuretés (on parle de dopage). Ces impuretés font perdre de l’énergie aux électrons de la couche émettrice de la LED : cette énergie est libérée sous forme de lumière.

 L’utilisation de composés de coordination¹phosphorescents comme dopants augmente l’efficacité des dispositifs de sorte à atteindre des luminances suffisantes pour envisager des applications dans le domaine de l’éclairage. Si les complexes de l’iridium ont longtemps été considérés comme des matériaux de choix pour ce type d’applications, les complexes de cuivre(I) apparaissent aujourd’hui comme une alternative de plus en plus crédible.

Le cuivre présente l’avantage d’être nettement moins onéreux et son utilisation ne pose pas les problèmes environnementaux liés à l’emploi de dérivés de métaux lourds comme l’iridium. Cependant, la préparation de complexes du cuivre fortement luminescents et présentant une bonne stabilité reste encore difficile. En effet, ces composés évoluent souvent en se réarrangeant selon des processus d’échanges de ligands pour conduire à d’autres espèces. Afin d’empêcher cette dégradation, les chercheurs strasbourgeois et toulousains, avec des collègues italiens, ont utilisé des macromolécules azotées cycliques en forme d’anneau pour synthétiser des complexes de cuivre tétraédriques stables.

La particularité de ces complexes est que leur anneau est traversé par un axe contenant deux phosphines, leur conférant ainsi une structure dite de type pseudo-rotaxane, inspirés de ceux imaginés par Jean-Pierre Sauvage, Prix Nobel de chimie 2016, qui apporte d’ailleurs son éclairage dans ce travail. 

L’anneau macrocyclique azoté m42 a une structure empêchant la formation de complexes du cuivre incorporant deux de ces anneaux azotés. Le complexe combinant cet anneau m42 et le ligand axe phosphoré POP est ainsi parfaitement stable à l’état solide et en solution : l’axe phosphoré ne peut se déplacer et la recombinaison des ligands pour donner d’autres espèces devient impossible.

Les scientifiques ont comparé des diodes électroluminescentes utilisant comme dopant des complexes de cuivre, l’un contenant un seul anneau m42, l’autre acyclique. Les performances des LED préparées avec le pseudo-rotaxane incorporant le macrocycle m42 sont non seulement meilleures mais ces dispositifs présentent aussi une stabilité nettement supérieure. À nouveau, la nature macrocyclique du ligand azoté joue un rôle clé : il constitue une enveloppe qui protège le complexe dopant de la dégradation chimique au sein de la LED. Cette famille de complexes du cuivre(I) ouvre donc de nouvelles perspectives quant à leur utilisation pour des applications technologiques dans les domaines de l’affichage et de l’éclairage.

Photo: (A) Le pseudo-rotaxane [Cu(m42)(POP)]BF4 associant un ligand azoté macrocyclique (m42, en noir) avec un ligand phosphoré (POP, en bleu) et son analogue acyclique [Cu(dmp)(POP)]BF₄.

(B) Diode électroluminescente utilisant le composé [Cu(m42)(POP)]BF₄ comme dopant.
©Jean-François Nierengarten

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Références 

Meera Mohankumar, Michel Holler, Eric Meichsner, Jean-François Nierengarten, Frédéric Niess, Jean-Pierre Sauvage, Béatrice Delavaux-Nicot, Enrico Leoni, Filippo Monti, Joanna M. Malicka, Massimo Cocchi, Elisa Bandini, Nicola Armaroli (2018) Heteroleptic Copper(I) Pseudorotaxanes Incorporating Macrocyclic Phenanthroline Ligands of Different Sizes. Journal of the American Chemical Society. Janvier 2018,  DOI: 10.1021/jacs.7b12671.

Jean-Pierre Sauvage, un Nobel pour les machines moléculaires
https://lejournal.cnrs.fr/articles/jean-pierre-sauvage-un-nobel-pour-les-machines-moleculaires

De drôles de machines moléculaires | Dans les coulisses de la recherchehttps://www.dailymotion.com/video/x627yxl