Assemblages moléculaires et supramoléculaires pour la conversion ascendante de photons – LUCAS

Le projet LUCAS a pour ambition de développer des dispositifs moléculaires et supramoléculaires pour la conversion ascendante de photons en solution aqueuse et de les étudier par microscopie. Si la conversion ascendante (up conversion en Anglais, UC) est obtenue de façon courante avec des composés solides massiques ou des nanoparticules, il n'existe à l'heure actuelle que très peu de travaux démontrant sa faisabilité avec des systèmes moléculaires en solutions à température ambiante et un seul exemple dans l’eau. Le projet LUCAS propose une approche sur la base d'assemblages contrôlés d'ions lanthanides. Ces assemblages permettront une pré-organisation de la localisation des cations lanthanides par deux approches différentes, une moléculaire et une supramoléculaire. Au sein de ces assemblages, les transferts d'énergie seront canalisés afin d'optimiser l'accumulation d'énergie sur les états excités intermédiaires pour permettre leur excitation et le peuplement d'état excités de plus hautes énergies, conduisant ainsi à l'obtention d'une conversion ascendante.
Le projet rassemble les compétences internationalement reconnues de trois équipes Françaises en matière de conception de ligands macrocycliques, de chimie de coordination des ions lanthanides, de spectroscopie et de microscopie pour parvenir à une percée fondamentale en : l'observation d'une conversion ascendante efficace en solution à l'échelle moléculaire à température ambiante. Le projet présente une approche innovante par le biais de dispositifs moléculaires et supramoléculaires pour favoriser les phénomènes de transfert d'énergie intramoléculaires entre cations lanthanides. Pour parvenir à cet objectif ambitieux, le projet s'appuie sur trois principaux axes : i) une organisation (moléculaire ou supramoléculaire) strictement contrôlée de l'agencement des lanthanides pour permettre la convergence de l'énergie d'excitation vers un ion lanthanide émetteur centré au cœur du dispositif; ii) une minimisation du piégeage des états excités intermédiaires par les pertes d'énergie non-radiatives; et iii) une optimisation du transfert d'énergie vers l'ion central par une diminution des distances entre ions lanthanides. A travers une conception judicieuse des ligands, des triplettes d'ions lanthanides constituées de deux ions sensibilisateurs et d'un ion activateur central, servant respectivement de donneurs et d'accepteur d'énergie, seront agencées à courtes distances, pour permettre des transferts d'énergie efficaces au sein de l'assemblage. La conception des ligands sera un point crucial pour parvenir à des assemblages combinant les trois principes d'organisation des lanthanides, de proximité spatiale et de minimisation des pertes non-radiatives.
L'avancée scientifique attendue consiste à développer le processus de conversion ascendante au niveau moléculaire en solution en optimisant les transferts d'énergie intramoléculaires. Bien que le projet LUCAS tende à démontrer un concept de recherche fondamentale en chimie de coordination et en spectroscopie, ses extensions à très long terme pourraient s'appliquer à de nombreux domaines scientifiques et sociétaux. Parmi ceux-ci, on peut envisager des applications pour l'amélioration de l'efficacité des cellules photovoltaïques, le développement d'encres anti-contrefaçons, la création de nouveaux marqueurs biologiques s'affranchissant des problèmes d'auto-fluorescence ou encore de nouveau outils analytiques pour des processsus de transfert d'énergie résonant (FRET) à très bas bruit de fond.