Dès le début de la chimie scientifique, les chimistes se sont intéressés aux réactions induites par absorption de la lumière. Contrairement aux réactions thermiques, les réactions photochimiques sont initiées à l'état électroniquement excité dans lequel la configuration électronique est différente. En conséquence la réactivité chimique des molécules excitées se distingue considérablement ; elle est parfois complémentaire à la réactivité ordinaire d'un composé. Par ce fait les transformations photochimiques enrichissent la méthodologie en synthèse organique.

Dans ce contexte, on peut remarquer les points suivants : les synthèses multi-étapes des composés complexes peuvent être raccourcies et simplifiées, des réactions dans des structures supramoléculaires comme les cristaux sont facilement réalisées, la chimie redox des composés organiques est enrichie, les différentes formes de catalyse sont favorablement influencées, dans beaucoup de réactions, le photon est un réactif qui ne laisse pas de traces (traceless reagent), les transformations sont souvent faciles à mettre sur l'échelle industrielle, l'utilisation des microréacteurs et des procédés en flux continu facilitent les transformations photochimiques.

Les liens traditionnellement forts entre la photochimie organique et la physicochimie permettent une analyse et une compréhension approfondies des mécanismes ce qui facilite l'optimisation des réactions. Depuis environ deux à trois ans, l’industrie chimique et pharmaceutique s’intéressent fortement aux réactions photochimiques dans le but de trouver de nouveaux produits biologiquement actifs et de développer des procédés écologiquement et économiquement avantageux.

Un certain nombre de corps ou de systèmes moléculaires émettent de la lumière sous l’influence d’une excitation soit photonique, soit électrique. Ils ont alors des propriétés de fluorescence ou de phosphorescence. Dans l’apparition de lumière et d’images dans le monde des télécommunications, la chimie est constamment sollicitée.

Dans les premiers tubes cathodiques, le canon à électrons, le verre du tube sous vide, les électro-aimants de commande, les revêtements phosphorescents de la dalle font appel à la chimie du solide. Les recherches et les perfectionnements des propriétés des oxysulfures dopés sous forme de pixels ont permis l’avènement de la télévision couleur.

La révolution des écrans plats succédant aux tubes cathodiques a été une fulgurante application des cristaux liquides, des pigments organiques et des LED (Light Emitting Diode). Enfin la découverte et les applications des OLED (Organic Light Emitting Diode), semi-conducteurs organiques, ont non seulement réduit drastiquement l’épaisseur des écrans mais aussi rendu ces supports souples dont le dernier smartphone pliable est un exemple. La chimie n’a toujours pas dit son dernier mot puisque la venue des « quantum dot » introduit les dimensions nanométriques dans la concurrence des écrans toujours plus grands et toujours plus fidèles. Au cours de l’exposé, en illustrant ces découvertes et leurs développements, nous mettons en valeur la chimie du solide, la photochimie la chimie organique et celle des polymères.

Matériau transparent, le verre laisse passer la lumière. Des phénomènes colorés variés peuvent alors apparaitre lors des chocs, élastiques ou inélastiques, qui se produisent entre le rayonnement lumineux et les atomes qui composent le verre.

Les verres colorés sont le plus souvent obtenus par addition de pigments minéraux à base d’oxydes de transition. L‘énergie lumineuse est absorbée pour mettre en jeu des transitions électroniques au sein des orbitales ‘d’ ou ‘f’. C’est ainsi qu’avec le cobalt on obtient le bleu vénitien des verriers de Murano. Les polysulfures de fer confèrent au verre une couleur ambre caractéristique des bouteilles de champagne. La délocalisation des électrons le long des chaines de polysulfure permet d’absorber les UV responsables de la dégradation.

Des couleurs dites physiques sont obtenues par diffusion de la lumière. Une couleur rouge intense est ainsi obtenue avec des nanoparticules d’or. L’interaction de la lumière avec les électrons de conduction produit la couleur caractéristique des verres ‘rubis’ qui font la beauté des vitraux de nos cathédrales.

Cet article montre comment l’interaction entre la lumière et le verre peut conduire à des colorations variées utilisées dans de nombreux domaines de la technologie verrière.

Parmi les différents types de lumières utilisables, celle issue des lasers joue un rôle particulier en raison de ses propriétés uniques, issues de la compréhension fine de la structure énergétique des matériaux et des processus d’absorption/émission en jeu à l’échelle des molécules ou des atomes. Le laser tire ses propriétés uniques en grande partie du matériau qui le constitue, et est donc lié de près à la chimie de ce matériau, que ce dernier soit un polymère, une molécule, ou un solide.

En retour, les lasers sont devenus des instruments indispensables dans nombre de laboratoires en permettant par exemple d’observer finement la dynamique temporelle de certaines réactions chimiques (à l’échelle de la femtoseconde !) ou de mesurer les niveaux d’énergie des atomes et molécules avec une grande précision grâce à sa finesse spectrale. En plus de ce rôle analytique, le laser peut également activement induire ou influencer des réactions chimiques, il peut briser des liaisons sélectivement, dissocier ou fragmenter des molécules, séparer des isotopes…

Dans ce chapitre après un bref survol du principe de fonctionnement du laser, on décrit comment les propriétés spécifiques de la lumière laser peuvent être utiles pour certaines applications en chimie ou en médecine par exemple, maintenant et dans un futur proche.

Depuis la découverte de l’effet photovoltaïque en 1839 dans une cellule électrochimique, les progrès de la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire ont été considérables et souvent associés à la chimie. L’explication la plus générale de l’effet photovoltaïque fait appel à des concepts issus de la chimie.

Aujourd’hui, on sait utiliser de nombreux matériaux, organiques ou inorganiques, pour convertir l’énergie solaire efficacement. On se prépare aussi à atteindre les rendements ultimes permis par cette technologie grâce à un contrôle de plus en plus fin de l’élaboration de matériaux et d’assemblages de plus en plus complexes. Grace à la chimie, des procédés ont pu être développés qui ont conduit à faire du photovoltaïque l’une des énergies les plus économiques actuellement et à la rendre massivement disponible. Les nouveaux procédés en cours de développement permettent d’envisager la fonctionnalisation d’un très grand nombre de surfaces, à bas coût, et par chimie douce, pour les rendre capable de convertir l’énergie lumineuse.

Depuis la découverte de l’effet photovoltaïque en 1839 dans une cellule électrochimique, les progrès de la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire ont été considérables et souvent associés à la chimie. L’explication la plus générale de l’effet photovoltaïque fait appel à des concepts issus de la chimie.

Aujourd’hui, on sait utiliser de nombreux matériaux, organiques ou inorganiques, pour convertir l’énergie solaire efficacement. On se prépare aussi à atteindre les rendements ultimes permis par cette technologie grâce à un contrôle de plus en plus fin de l’élaboration de matériaux et d’assemblages de plus en plus complexes. Grace à la chimie, des procédés ont pu être développés qui ont conduit à faire du photovoltaïque l’une des énergies les plus économiques actuellement et à la rendre massivement disponible. Les nouveaux procédés en cours de développement permettent d’envisager la fonctionnalisation d’un très grand nombre de surfaces, à bas coût, et par chimie douce, pour les rendre capable de convertir l’énergie lumineuse.

La chimie qui interagit avec la lumière dans les matériaux fait partie de notre environnement et de notre vie quotidienne. Cette interaction contribue à des fonctions multiples : la protection, la stabilisation de la dégradation des matériaux comme avec le filtre solaire Tinuvin®, et une interaction sur des mécanismes d’actions comme DN- Aura® ou encore les pigments à effets de nos voitures.

Dans la chimie développée chez BASF, le progrès se catégorise dans 4 grands domaines : protéger de la lumière, dompter la lumière, utiliser les technologies optiques pour la R&D, embellir par la lumière.

Différentes solutions innovantes sont présentées pour illustrer le champ des possibles en matière de développements de la chimie autour de la lumière. Les propriétés physiques de la lumière sous un large spectre d’ondes électromagnétiques confèrent à la chimie une dimension élargie dans des secteurs aussi variés que l’éclairage des bâtiments, la peinture automobile, l’extraction d’ingrédients cosmétiques à partir du végétal, ou encore la miniaturisation des systèmes. Au-delà des solutions innovantes, la lumière rend les univers invisibles à l’œil nu visibles grâce à la mise au point de technologies optiques exceptionnelles et adaptées. L’optique ouvre la porte vers l’exploration d’éléments structuraux et porte la chimie jusqu’à la production de matière « vivante » en 3D encore appelée bio-impression.

La quantité de données en ligne est trop importante pour être totalement exploitée manuellement par l’Homme. Des outils numériques (algorithmes et logiciels) ont été développés pour les manipuler : ils permettent de récupérer les données pour les utiliser et éventuellement générer des hypothèses pour concevoir de nouveaux médicaments. Cela passe, entre autres, par l’étude de données relatives aux petites molécules chimiques d’intérêt pharmaceutique et aux poches de liaisons de protéines. Il est également possible d’envisager le repositionnement de médicaments et de prédire la toxicité de molécules.

Partie des programmes associées :

• Programme d’enseignement scientifique de terminale : Thème 3 – Une histoire du vivant & Thème 3.5 – Intelligence artificielle
• Programme de terminale STL spécialité : S33 – Cycle cellulaire cancer et cellules souches & L4 – Mobiliser les outils numériques en biotechnologie
• Programme de CPGE : Chimie du et pour le vivant / La chimie dans les processus du vivant
• Programme de DUT Chimie : Chimie du vivant

Qualifier une orbitale moléculaire de liante ou antiliante est une chose bien connue dans l’enseignement, mais il est plus difficile de les définir quand on veut les calculer. L’article trace un large panorama sur ces notions en les reliant aux forces exercées par les électrons sur les noyaux. Les auteurs présentent les résultats de la recherche actuelle sur les forces orbitalaires avec la spectrophotométrie photoélectronique (UV lointain) et donnent une application pour une liaison exotique dans le cas du propellane.

Accédez au texte original (lien externe)

L’auteur revient sur l’exposition exceptionnelle au Musée du Louvre d’octobre 2019 à février 2020 et répond aux questions suivantes : quels sont les pigments que Léonard de Vinci utilisait pour peindre ? Quelles techniques ? Pourquoi la réflectographie IR révèle les dessins préparatoires et les hésitations de l’artiste dans L'Adoration des Mages ?

Accédez au texte original (lien externe)