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RÉSUMÉ
Les complexes de coordination sont formés par l’assemblage d‘un ou de plusieurs ions métalliques avec des ligands organiques. De la géométrie du complexe dépend la configuration électronique du ou des ions métalliques. Dans certains de ces complexes, cette configuration électronique peut être modifiée par des variations de paramètres chimiques et/ou physiques. C’est la conversion de spin. Ses conséquences sont nombreuses sur les propriétés optiques, magnétiques, mécaniques et diélectriques du matériau. Cet article présente les principes fondamentaux du phénomène de conversion de spin, les moyens connus pour le promouvoir et le détecter ainsi que les différents champs d’application envisagés.
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Guillaume CHASTANET : Chargé de recherches CNRS - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, - CNRS-Université de Bordeaux, Bordeaux INP, UMR 5026 - Pessac, France
INTRODUCTION
La conversion de spin est un phénomène largement répandu que l’on retrouve par exemple en géologie, en biologie ou encore en magnétisme. Une grande majorité des systèmes à conversion de spin est constituée de complexes de coordination, le plus connu se trouvant dans l’hémoglobine impliquée dans la capture, le transport et le relargage de l’oxygène dans le sang. Ces complexes sont construits sur la coordination d’ions métalliques par des ligands organiques. La composition et l’agencement de ces ligands autour des ions métalliques déterminent leur configuration électronique. Certains ions hésitent entre deux configurations et l’application d’une perturbation telle que la température, la pression ou la lumière permet de passer d’une configuration à l’autre. Cette commutation de configuration électronique, appelée conversion de spin, s’accompagne de nombreuses modifications de propriétés physico-chimiques (couleur, magnétisme, mécanique, électrique, volume, densité…). De nombreux domaines d’applications sont d’ailleurs envisagés pour ces systèmes, des pigments intelligents à l’électronique moléculaire en passant par les capteurs et les muscles artificiels. Le phénomène de conversion de spin prend sa source dans la sphère de coordination métallique de ces complexes. À l’état solide, ce phénomène se propage via un réseau d’interactions intermoléculaires. L’ingénierie moléculaire, de par sa richesse, est un outil de choix pour concevoir les molécules et les réseaux moléculaires aux propriétés adaptées aux applications visées. L’objectif de cet article est de présenter le phénomène de conversion de spin et sa richesse dans ses grandes lignes, afin de donner à l’ingénieur les outils essentiels à une veille technologique efficace sur le sujet. Cet article présente donc les conditions nécessaires à l’obtention de molécules et de matériaux à conversion de spin, les moyens chimiques et physiques de la provoquer et de la détecter, les conséquences sur les propriétés du matériau qui la subit, afin d’aider au respect d’un cahier des charges applicatif.
Points clés
Domaine : magnétisme, chimie de coordination, électronique moléculaire.
Degré de diffusion de la technologie : émergence.
Technologies impliquées : magnétisme, optique, électronique moléculaire.
Domaines d’application : électronique organique et moléculaire, capteurs, senseurs, actuateurs, pigments.
Principaux acteurs français :
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centres de compétence : la très large communauté française travaillant sur la conversion de spin est regroupée au sein d'un groupement de recherche du CNRS, magnétisme et commutation moléculaires (GdR MCM2, http://www.gdr-mcm2.cnrs.fr/ et plus récemment au sein de l'association française de magnétisme moléculaire (AM2, asso-am2.fr) ;
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industriels : OliKrom est une entreprise issue d'un laboratoire travaillant sur la conversion de spin et développe des pigments intelligents ( https://www.olikrom.com/).
Autres acteurs dans le monde : acteurs européens regroupés au sein d'un Institut Européen de Magnétisme Moléculaire (EIMM, http://www.eimm.eu/)
Contact : [email protected]/ http://www.icmcb-bordeaux.cnrs.fr/spip.php ?article149
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Comment induire la conversion de spin ?
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2. Chimie de coordination et champ de ligands
2.1 Notions de champ de ligands
Un complexe de coordination est un édifice constitué d’un ou de plusieurs cations métalliques entourés ou liés par des ligands organiques chargés (anions) ou neutres (bases de Lewis). Dans une première vision du champ cristallin, la densité électronique portée par les ligands affecte les orbitales des cations métalliques. Cela conduit à une levée de la dégénérescence de ses orbitales d et leur distribution en énergie dépend de la géométrie du complexe. Une vision plus aboutie de cette liaison de coordination est décrite dans le cadre de la théorie du champ de ligands. Les interactions entre les orbitales moléculaires des ligands et les orbitales atomiques d des cations donnent lieu à un diagramme d’orbitales moléculaires pour le complexe. Cette description permet de déterminer le caractère liant, non liant ou antiliant de ces orbitales moléculaires (figure 1).
Exemple :
Une des géométries très fréquemment observées est la géométrie octaédrique. Dans cette configuration, les six ligands pointant directement selon les axes x, y et z, les orbitales
et
du métal situé au centre de l’octaèdre sont déstabilisées par rapport aux orbitales d xy, d xz, d yz. S’ensuit un éclatement en deux...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CARLIN (R.L.) - Magnetochemistry. - Spinger, Berlin (1986).
-
(2) - KAHN (O.) - Molecular Magnetism. - VCH Publishers (1993).
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(3) - CAMBI (L.), SZEGO (L.) - Über die magnetische Susceptibilität der komplexen Verbindungen. - Ber. Dtsch. Chem. Ges., 64, p. 2591-2598 (1931).
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(5) - SHRIVER (D.F.), ATKINS (P.W.) - Inorganic Chemistry 3e édition. - Oxford University Press, p. 227-236 (2001).
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(6) - HALCROW (M.A.) - The spin-states and spin-transitions of mononuclear complexes of itrogen-donor ligands. - Polyhedron, 26, p. 3523-3576 (2007).
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