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RÉSUMÉ
Un matériau photochrome possède la capacité de changer de couleur suite à une absorption de lumière, et ce de manière réversible. Cet article traite des molécules et matériaux photochromes depuis les aspects fondamentaux jusqu’aux applications industrielles. Après avoir défini les concepts généraux, les grandes familles de photochromes, la quantification du photochromisme (détermination des rendements quantiques), la compréhension et le contrôle des mécanismes élémentaires sont abordés sous le prisme de la spectroscopie transitoire, des calculs de chimie quantique et de l’optimisation synthétique. Enfin diverses applications dans les domaines de l'industrie et de la recherche sont détaillées.
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A photochromic material has the reversible ability to change color as a result of light absorption. This article deals with molecules and photochromic materials from fundamental aspects to industrial applications. After having defined the general concepts, the large families of photochromes, the quantification of the photochromism (determination of the quantum yields), the comprehension and the control of the elementary mechanisms will be approached under the prism of the transient spectroscopy, the computations of quantum chemistry and the synthetic optimization. Finally various applications in the fields of industry and research will be detailed.
Auteur(s)
-
Stéphane ALOÏSE : Maître de conférences, LASIR – UMR 8516 – Université de Lille – France
-
Jonathan PIARD : Professeur agrégé (PrAg), Département de chimie – ENS Paris Saclay – France
INTRODUCTION
Lorsqu’un matériau possède la capacité de changer de couleur suite à une absorption de lumière, celui-ci est qualifié de photochrome. Après arrêt de l’irradiation, le retour à la couleur d’origine du matériau peut s’opérer soit spontanément, soit par une nouvelle stimulation lumineuse de nature différente. Les changements de couleur induits par la lumière peuvent également s’accompagner de la variation d’autres propriétés physico-chimiques du matériau (indice de réfraction, fluorescence, réponse mécanique....) permettant une commutation contrôlée, et à distance, de ces mêmes propriétés. C’est grâce à cette versatilité, que le photochromisme permet d’élargir sans cesse le panel des possibilités en termes d’applications industrielles.
Dans un premier temps, le concept de photochromisme et les différentes familles de photochromes organiques sont introduits. Ensuite, les déterminations expérimentales des paramètres photochromes sont détaillées : rendement quantique, constante de vitesse du retour thermique, signature spectrale de l’état photostationnaire, résistance à la fatigue.
Puis, cet article traite, à travers quelques exemples choisis, comment moduler les caractéristiques cinétiques et photochimiques photochromes via une compréhension accrue des mécanismes réactionnels. Cette compréhension repose sur l’utilisation des spectroscopies transitoires ultrarapides en combinaison avec la chimie computationnelle moderne centrée sur les états excités. Une fois cette compréhension atteinte, un dialogue constructif avec la synthèse organique permet de modifier judicieusement la molécule pour accorder ses propriétés avec les applications visées. Sachant que beaucoup d’études préliminaires se font en solution, la mise en œuvre du matériau (sous la forme d’un monocristal, d’un film polymère, d’une couche mince) qui conserve les propriétés cibles est donc une étape délicate. Quelques exemples sont abordés pour illustrer cette problématique.
Enfin, diverses applications sont passées en revue. Outre les lunettes de soleil à teinte variable, exemple connu du grand public, différents exemples d’application des molécules photochromes, qui exploitent bien plus que le changement de couleur, sont mentionnés : création de machines moléculaires, textiles intelligents ou nouveaux modes de délivrance de médicaments.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
spectroscopy | photochimistry | smart devices
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Optimisation des propriétés photochromes2. Caractérisation des propriétés du photochromisme
Ayant passé en revue les différents types de photochromisme, ainsi que les différentes familles de photochromes, il convient de s’intéresser aux caractéristiques cinétiques et photochimiques dont la connaissance s’avère essentielle pour les aspects applicatifs. Une étape importante consiste à mesurer de manière quantitative les constantes spectro-dynamiques qui caractérisent ces molécules photochromes et notamment les rendements quantiques et la résistance à la fatigue.
2.1 Détermination des paramètres spectroscopiques et cinétiques
Un premier cas à considérer concerne un photochrome, dissous en solution, pour lequel la forme A absorbe uniquement dans l’UV (λ A, ε A(λ A)), alors que la forme B (λ B , ε B(λ B)) absorbe à la fois dans le visible et l’UV (ε B(λ A) ≠ 0). C’est par exemple le cas du composé présenté sur la figure 1 dont la forme A est incolore et la forme B de couleur bleue. Les longueurs d’onde λ A et λ B sont déterminées suite à l’enregistrement des spectres d’absorption des formes A et B respectivement.
En premier lieu, la détermination de ε A s’effectue très facilement en réalisant plusieurs dilutions successives et en utilisant la loi de Beer-Lambert :
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Caractérisation des propriétés du photochromisme
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - NAKATANI (K.), PIARD (J.), YU (Y.), MÉTIVIER (R.) - Introduction: organic photochromic molecule. - Photochromic Materials: Preparation, Properties and Applications, edited by Wiley (2016).
-
(2) - DESSAUER (R.), PARIS (J.P.) - Photochromism. - Advances in Photochemistry, edited by Wiley-VCH, p. 275-278, Amsterdam (1963).
-
(3) - WÖHRLE (D.), TAUSCH (M.W.), STROHER (W.-D.) - Photochemie. - Éd. Wiley-VCH Weinheim (1998).
-
(4) - FRITZSCHE (J.) - Comptes rendus de l'académie des sciences, - vol. 69, p. 1035-1037 (1867).
-
(5) - BILTZ (H.) - Annual chemistry, - vol. 305, p. 170 (1899).
-
(6) - BILTZ (H.) - Physical Chemistry, - vol. 30, p. 527 (1899).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Laboratoire de photophysique et photochimie supramoléculaires et macromoléculaires, UMR 8531, ENS Paris-Saclay, 61 avenue du Président Wilson 94230 Cachan, http://ppsm.ens-paris-saclay.fr/
LASIR UMR 8516 (Laboratoire de spectrochimie infrarouge et Raman), Université de Lille, Sciences et Technologies – Bâtiment C5 – 59655 Villeneuve d’Ascq Cedex, https://lasir.univ-lille1.fr
Laboratoire des interactions moléculaires et réactivité chimique et photochimique (MRCP), UMR 5623, Université Paul Sabatier, Bâtiment 2R1, 118, route de Narbonne, 31062 Toulouse imrcp.ups-tlse.fr
Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (ICMMO), UMR 8182, Bâtiments 410/420/430, Université Paris-Sud, UMR 8182, Rue du doyen Georges Poitou, 91405 Orsay cedex – France https://www.icmmo.u-psud.fr
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/press-release/
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