Des nanocristaux stockent l'énergie lumineuse et déclenchent des réactions chimiques

La chimie utilise de plus en plus le tour de force des plantes avec la photosynthèse : piloter des réactions chimiques qui fonctionnent mal ou ne se produisent pas du tout spontanément avec l'énergie lumineuse. Pour ce faire, il faut des photocatalyseurs appropriés qui captent l'énergie lumineuse et la rendent disponible pour la réaction. Dans la revue Angewandte Chemie, une équipe de recherche chinoise a présenté des points quantiques à noyau et enveloppe en couches qui permettent de réaliser efficacement des transformations organiques complexes. Leur faible toxicité constitue un avantage particulier.

Les points quantiques sont des cristaux nanoscopiques finement dispersés de semi-conducteurs inorganiques. Ils absorbent fortement dans une plage réglable du spectre et sont faciles à recycler. Jusqu'à présent, les points quantiques photocatalytiques étaient presque exclusivement basés sur les éléments hautement toxiques que sont le cadmium et le plomb. Cette caractéristique et leur efficacité limitée constituaient les principaux obstacles à leur utilisation à plus grande échelle.

Une équipe de recherche dirigée par Kaifeng Wu (Académie chinoise des sciences) a maintenant introduit de nouveaux points quantiques à très faible toxicité et à très haute performance. Ils sont activés par des diodes électroluminescentes bleues disponibles dans le commerce - la lumière UV habituellement requise n'est pas nécessaire. Le secret de leur succès réside dans leur structure cœur/coquille et dans les revêtements variables qui peuvent être utilisés pour "stocker" l'énergie lumineuse.

Les points quantiques ne font que quelques nanomètres de large. Leur cœur est constitué de séléniure de zinc (ZnSe) et est entouré d'une fine enveloppe en sulfure de zinc (ZnS). La lumière bleue porte le séléniure de zinc à un état excité dans lequel il peut facilement céder des électrons. La coquille empêche les électrons d'être immédiatement capturés par des défauts.

L'équipe a équipé la surface de la coquille de ligands spéciaux de benzophénone qui "aspirent" les électrons des points quantiques, les stockent et les rendent disponibles pour des réactions organiques. Par exemple, l'équipe a pu réaliser des déshalogénations réductrices de chlorures d'aryle et des polymérisations sans additif d'acrylates - des réactions importantes qui sont mal ou pas du tout exécutées par les photocatalyseurs classiques.

Une deuxième version a été réalisée en recouvrant la surface de ligands biphényles qui peuvent absorber directement l'énergie des points quantiques excités. Cela les amène dans un état triplet à longue durée de vie et à haute énergie. L'énergie triplet ainsi "stockée" peut être transférée à des molécules organiques spécifiques, qui entrent alors également dans un état triplet. Dans cet état, elles peuvent subir des réactions chimiques qui ne sont pas possibles dans leur état fondamental. À titre de démonstration, l'équipe a réalisé des homo-cycloadditions [2+2] de styrène et des cycloadditions de carbonyles avec des alcènes. Celles-ci produisent des cycles à quatre chaînons (cyclobutanes ou oxétanes, respectivement), qui sont des substances qui constituent des matières premières importantes dans des domaines tels que le développement pharmaceutique.