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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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Symboles6. Glossaire
HPLC (High Performance Liquid Chromatography )
Technique permettant de séparer et/ou d’analyser des molécules issues d’un mélange suite à son injection via une phase mobile liquide dans une colonne remplie de grains solides de petites tailles.
RMN (Résonance Magnétique Nucléaire )
Technique spectroscopique permettant la détermination de structures par l’exploitation des propriétés magnétiques de certains noyaux (H, 13C, 19F...).
spin coating
Procédé de formation d’un revêtement par centrifugation qui ne requiert pas d’affinités particulières entre les molécules déposées et le substrat d’intérêt. La cohésion du film déposé repose essentiellement sur les interactions entre les constituants du film qui peut, par exemple, être réticulé après dépôt pour en améliorer la stabilité.
dip-coating
Procédé de formation d’un revêtement par immersion qui ne requiert pas d’affinités particulières entre les molécules déposées et le substrat d’intérêt. La cohésion du film déposé repose essentiellement sur les interactions entre les constituants du film qui peut, par exemple, être réticulé après dépôt pour en améliorer la stabilité.
PVD (Physical Vapor Deposition )
Technique de dépôt physique consistant en l’évaporation ou la pulvérisation d’une cible métallique solide. C’est une méthode très utilisée pour l’obtention de couches minces ou de revêtements de matériaux nanostructurés en surface.
dépôt sous vide
Technologie d’élaboration de revêtements minces à très basse pression.
ADP (Absorption à deux photons)
Processus d’absorption simultanée de deux photons permettant, par exemple, de porter une molécule de son état fondamental à un état excité en utilisant un rayonnement d’énergie moitié de cet état excité. Un état excité peuplé par absorption à un photon de longueur d’onde λ peut être ainsi en ADP peuplé à l’aide de deux photons de longueurs d’onde 2λ. Ce processus est néanmoins très peu efficace et nécessite pour permettre l’ADP l’utilisation...
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Glossaire
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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