Blanc SIMI 8 - Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie

Architectures à base de foldamères pour le transport d'electrons – FOSET

FOSET

Architectures à base de foldamères pour le transport d'electrons

Enjeux et objectifs

Le but principal de ce projet est d'explorer le transport d'électron ultrarapide au sein de foldamères afin de l'exploiter pour la conception de dispositifs pour la reconnaissance moléculaire, notamment pour le développement de capteurs. L'architecture hélicoïdale des foldamères est particulièrement bien adaptée, combinant un transport d'électron efficace et une spécificité et une affinité hors pair pour certains analytes biologiques importants (eg. les monosaccharides). La synergie entre les propriétés de reconnaissance et les processus de transfert d'électron est d'une importance capitale pour aboutir à des senseurs efficaces. Dans un premier temps, l'élucidation des mécanismes de transfert d'électron sur des longues distances sera étudié. La compréhension de l'origine de l'efficacité des foldamères à faciliter ce processus est fondamental car il pourrait aussi améliorer le transport de charges entre molécules au sein des dispositifs en électronique organique ou la faible mobilité des porteurs de charges est un verrou scientifique important. En parallèle, la synthèse d'architectures foldamères compactes possédant un segment élargi pouvant servir de site hôte pour la reconnaissance moléculaire sera poursuivie afin d'obtenir des systèmes pouvant êtres immobilisés sur des substrats isolants ou conducteurs à travers l'utilisation de groupements d'ancrage adaptés. Ceci nous permettra d'obtenir des monocouches compactes de foldamères exploitables pour la fabrication de dispositifs simples en électronique organique, ce qui est un des objectifs principaux du projet. A ce jour, les applications des architectures foldamères sont principalement en biologie et en solution. Faire sauter le verrou du passage à des systèmes immobilisés est donc essentiel pour avancer vers des dispositifs solides et imprimables. L'étude des propriétés de reconnaissance des foldamères immobilisés sera également abordée et représente une innovation importante dans le domaine.

Ce projet fait appel à l'instrumentation et au savoir-faire complémentaire des partenaires: i) synthèse d'oligomères / foldamères modulables allant jusqu'à 5-10 nm; ii) études spectroscopiques par des techniques ultrarapides telles que l'absorption transitoire; iii) développement de récepteurs foldamères pour les saccharides; iv) greffage sur des surfaces en monocouches ordonnées; v) études de complexation et de transduction du signal en solution et au sein de dispositifs à l'état solide. L'ensemble de ces compétences et la proximité des partenaires nous permettra d'avancer rapidement dans le projet. Dans le but de permettre la conception de dispositifs en électronique organique basés sur des assemblages moléculaires de foldamères, un des objectifs du projet est d'évaluer le transport de charges à travers un foldamère et le transport latéral des charges à travers une monocouche de foldamères. Ces mesures seront effectuées en utilisant un AFM à pointe conductive (C-AFM) combiné à une technique de dépôt d'électrode douce déjà exploitée par le Partenaire 2. Les résultats préliminaires montrant qu'un foldamère contenant des résidus quinoline sont capables de promouvoir le transfert d'électron photoinduit sur des grandes distances (>2nm) très rapidement (ps) avect une constante d'atténuation (beta) très faible (0.05 Å) laissent présager des performances très intéressantes en électronique organique et pourrait ouvrir la voie à une nouvelle famille de matériaux intermédiaire entre les polymères conducteurs et les biopolymères.

- La synthèse de très longs foldamères (jusqu'à 96 unités) a été optimisée jusqu'à devenir une procédure de routine.
- Les premières monocouches de foldamères déposés sur des surfaces ont été préparées, ouvrant la voie à des mesures de conductivité à travers et le long des assemblages.
- Des études de transfert d'électron photo-induit entre un donneur et un accepteur placés aux deux extrémités d'un foldamère ont montré un processus extrêmement rapide même pour de longs foldamères, ainsi que qu'une durée de vie remarquablement longue de l'état de charges séparées. Ces résultats sont pertinents dans le cadre des dispositifs photovoltaïques.
- Un développement original concerne le contrôle du transfert d'énergie entre deux chromophores placés aux extrémités d'une tige moléculaire flexible. Plusieurs tiges ont été préparées et il a été montré que le transfert d'énergie est rapide lorsque les deux chromophores peuvent se placer proches l'un de l'autre du fait de la flexibilité de la tige. Au contraire, l'ajout d'un foldamère qui peut s'enrouler autour de la tige et lui imposer une conformation étendue qui sépare les deux chromophores conduit à un faible efficacité du transfert d'énergie. Ce système permet d'étudier la dynamique conformationnelle de la tige.

Le projet marquera un tournant dans le domaine et innovera en exploitant la robustesse et la prévisibilité des conformations des foldamères amides aromatiques pour l'élaboration de nouveaux matériaux efficaces pour le transport d'électrons.

Trois manuscrits en préparation

Les foldamères sont des oligomères de synthèse qui adoptent des conformations repliées inspirées des structures des biopolymères. Le projet FOSET émane de récents progrès majeurs dans le domaine des foldamères: (i) la conception et la synthèse par étape d'oligoamides aromatiques qui se replient en de très longues hélices (5-10 nm) possédant une haute stabilité conformationnelle; (ii) la découverte non anticipée que ces hélices transportent des électrons à très haute vitesse (de l'ordre des ps) et avec une faible atténuation en fonction de la distance; et (iii) le développement de récepteurs sélectifs pour des acides organiques et des monosaccharides à partir d'hélices possédant une cavité et également basées sur des squelettes amide aromatiques. Le projet FOSET vise à explorer la portée du transport électronique au sein de ces hélices en solution et sur des supports solides, ainsi qu'à l'exploiter pour développer de nouveaux capteurs pour des analytes difficiles et pertinents comme des sucres. Le projet marquera un tournant dans le domaine et innovera en exploitant la robustesse et la prévisibilité des conformations des foldamères amides aromatiques pour l'élaboration de nouveaux matériaux efficaces pour le transport d'électrons. Le projet identifiera les conditions optimales pour le transport d'électron rapide et efficace le long de l'axe des hélices. A cette fin, le transfert d'électron photo-induit au sein d'hélices individuelles en solution sera étudié par des techniques de spectroscopie rapide et ultra-rapide. Les études programmées permettront de déterminer l'effet de paramètres tels que la longueur du foldamère, la présence d'unités susceptibles de promouvoir un mécanisme de transfert d'électron par étape ou un super-échange, ou encore la présence de molécules invitées qui lient sélectivement un module récepteur de l'hélice. Un développement méthodologique permettra de produire les premiers réseaux ordonnés en 2D ou 3D de foldamères et des interactions spécifiques seront conçues pour promouvoir le transfert d'électrons latéral, c'est-à-dire dans une direction perpendiculaire à l'hélice. Ces jalons permettront d'aborder le transfert d'électron dans des phases condensées. Le transport d'électron au sein de monocouches de foldamère à la fois le long et perpendiculairement à l'axe des hélices sera déterminé par AFM de conductivité et optimisé. Ces travaux permettront de définir les conditions dans lesquelles la reconnaissance d'un analyte par une monocouche de foldamère résulte en un signal facilement détectable. Le projet implique deux partenaires localisés sur le campus de l'université de Bordeaux. Il s'assoit sur une haute expertise du partenaire 2 (responsable: Dr. Dario Bassani) dans l'évaluation du transport d'électron dans les matériaux organiques et sur des réalisations importantes dans la conception et la synthèse de foldamère par le partenaire 1 (responsable: Dr. Ivan Huc). Le projet FOSET permet d'anticiper un changement de paradigme dans le domaine de l'intégration de capteurs pour l'électronique organique. Il bénéficiera d'un contexte scientifique local particulièrement favorable du fait de l'acceptation récente du projet Equipex ElorPrintTech Equipex pour l'électronique organique imprimable.

Coordinateur du projet

Monsieur Ivan Huc (Chimie et Biologie des Membranes et Nano-objets) – ivan.huc@lmu.de

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CBMN Chimie et Biologie des Membranes et Nano-objets
ISM Institut des Sciences Moléculaires

Aide de l'ANR 440 000 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2012 - 48 Mois

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