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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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Lire l’articleAuteur(s)
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Stéphane ALOÏSE : Maître de conférences, LASIR – UMR 8516 – Université de Lille – France
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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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Caractérisation des propriétés du photochromisme
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1. Présentation générale
1.1 Définitions
Le photochromisme consiste en une transformation photo-induite et réversible entre deux isomères A et B d’une espèce chimique ayant des spectres d’absorption différents. En conséquence, les matériaux photochromes se caractérisent généralement par un changement de couleur lors de la phototransformation entre A et B.
Dans la suite de ce document, la réaction qui conduit de l’isomère A à l’isomère B sera notée A → B et appelée réaction aller. La réaction inverse sera notée B → A et appelée réaction retour. À titre d’exemple, une illustration d’isomères A et B avec leurs paramètres spectroscopiques respectifs (longueur d’onde du maximum d’absorption λ A et λ B , et coefficient d’absorption ε A et ε B) est donnée sur la figure 1, où la solution A est incolore, tandis que la solution B est bleue. Au niveau moléculaire, le changement de couleur est directement relié à un changement conformationnel qui peut donc s’accompagner de la modification d’autres propriétés physico-chimiques : magnétiques, optiques (indice de réfraction, chiralité), électriques, chimiques, surfaciques ou mécaniques. Pour que ce changement de couleur soit perceptible à l’œil, il est souvent nécessaire que l’absorbance à la longueur d’onde du maximum d’absorption de B (λ B) soit supérieure à 0,1.
HAUT DE PAGE1.1.2 Photochromes de type P ou de type T
Sous irradiation continue de longueur d’onde λ A (lumière généralement dans le domaine de l’UV ou du visible), un changement de couleur est obtenu suite à la photo-transformation A → B. Deux types de matériaux photochromes peuvent alors être distingués selon leur comportement après l’arrêt de...
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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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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
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Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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