Anneau fabriqué à partir de cinq atomes de bismuth
Une énigme chimique résolue après des décennies
Des chercheurs de l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) ont réussi pour la première fois à synthétiser une molécule composée de cinq atomes de bismuth, l'anneau Bi₅-, et à la stabiliser dans un complexe métallique. Avec cette découverte, ils comblent une lacune importante en chimie et jettent les bases de nouvelles applications dans la recherche sur les matériaux, la catalyse et l'électronique. L'équipe publie ses résultats dans Nature Chemistry.
"En réussissant la synthèse de l'anneau Bi₅-, nous avons répondu à une question de longue date en recherche fondamentale. Cette molécule pourrait jouer un rôle important à l'avenir dans le développement de nouveaux matériaux et processus chimiques", explique la professeure Stefanie Dehnen de l'Institut de chimie inorganique du KIT et directrice du groupe de recherche sur les matériaux basés sur les clusters. Selon elle, il est particulièrement intéressant que le cycle Bi₅- ait une structure similaire à celle de la molécule cyclopentadiényle (C₅H₅)-, qui est déjà largement utilisée dans l'industrie. Le cycle Bi₅- se distingue toutefois par une masse plus importante et des propriétés électroniques uniques.
Une énigme chimique résolue après des décennies
Depuis des décennies, les chercheurs sont à la recherche d'analogues lourds du cycle cyclopentadiényle - c'est-à-dire de variantes de molécules dans lesquelles les atomes de carbone et d'hydrogène initiaux sont remplacés par des éléments plus lourds. Ceux-ci offrent en effet des propriétés potentiellement intéressantes et attrayantes pour la catalyse de réactions chimiques ou pour des matériaux destinés à des composants électroniques. L'analogue constitué d'atomes de l'élément bismuth, le métal le plus lourd mais en même temps non toxique, restait jusqu'à présent inexploré, bien que, selon les prédictions, l'anneau devrait présenter des propriétés aromatiques similaires, c'est-à-dire des électrons aussi stables et largement répartis que (C₅H₅)-. L'isolation du cycle montre maintenant que même les variantes les plus lourdes peuvent effectivement être introduites dans des composés stables et utilisées pour des réactions. Des méthodes analytiques de haute précision, appliquées en coopération avec les groupes du professeur Florian Weigend de l'Institut de nanotechnologie du KIT et du professeur Wolfgang Wernsdorfer de l'Institut de physique du KIT, ont fourni un aperçu détaillé des propriétés électroniques et magnétiques particulières du produit [{IMesCo}₂Bi₅]. Comme prévu, il s'est avéré que cette molécule était particulièrement prometteuse pour des applications dans le domaine de la catalyse et de l'électronique.
Stefanie Dehnen et son équipe sont parvenues à cette synthèse en combinant expérience, intuition et technique de synthèse moderne. L'utilisation d'un solvant spécial est un facteur décisif, explique la professeure, qui a récemment reçu le prix IUPAC Distinguished Women in Chemistry or Chemical Engineering. Ce prix récompense les performances exceptionnelles des femmes dans le domaine de la chimie et du génie chimique dans le monde entier.
Les technologies durables pourraient en profiter
Les travaux du groupe de recherche démontrent l'importance de la recherche fondamentale pour les percées scientifiques. Les résultats ne constituent pas seulement une étape importante dans le domaine de la chimie, ils pourraient également servir de base au développement de technologies plus efficaces et plus respectueuses de l'environnement. Le projet a été financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft et le Conseil européen de la recherche. L'équipe prévoit d'étudier d'autres composés basés sur le bi₅-anneau afin d'exploiter pleinement son potentiel pour les réactions chimiques et les applications dans la science des matériaux. À l'avenir, les méthodes d'apprentissage automatique seront également utilisées pour optimiser davantage les voies de synthèse et accélérer la recherche. "Nous espérons que notre travail motivera d'autres chercheurs à poursuivre dans cette direction et à trouver de nouvelles applications", déclare Dehnen. Pour ce faire, elle et son équipe souhaitent également collaborer avec les entreprises et les instituts de recherche intéressés.
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