Aperçu. Le groupe Wuest s’intéresse de manière générale aux matériaux moléculaires, et nos projets couvrent typiquement plusieurs domaines de la chimie. Au fil du temps, nous avons travaillé avec une grande partie du tableau périodique, et nos recherches combinent la chimie organique avec la chimie inorganique, la chimie physique, la science des surfaces, l’informatique et d’autres sujets, tels que la construction et l’évaluation de dispositifs comme les cellules solaires et les batteries. La conception moléculaire, la synthèse et l’analyse structurelle sont des domaines qui intéressent particulièrement le groupe. L’association moléculaire joue un rôle central dans nos projets, et l’un de nos principaux objectifs est d’apprendre à contrôler l’organisation des matériaux en utilisant diverses interactions pour positionner les molécules voisines selon un plan précis. Comme le montrent les travaux récents résumés ci-dessous, notre approche multidisciplinaire nous permet d’entreprendre des projets ambitieux qui débouchent sur la création de nouveaux matériaux et une meilleure compréhension des relations entre la structure et les propriétés.

I. Construction modulaire. On est des pionniers dans le domaine de la construction modulaire, qui est un moyen simple et puissant de fabriquer des matériaux ordonnés de manière prévisible en utilisant des modules moléculaires qui s’associent de manière bien définie et maintiennent ainsi leurs voisins dans des positions prédéterminées. Nos premiers articles décrivant ce concept (J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 4696; J. Org. Chem. 1988, 53, 5787) continuent d’être cités plus de 30 ans après leur publication. La stratégie de la construction modulaire est à la base du développement ultérieur du vaste domaine des structures métallo-organiques, des structures organiques covalentes, des structures organiques à liaison hydrogène et des polymères supramoléculaires. Les travaux récents du groupe comprennent la construction de matériaux cristallins à base de carbone liés de manière covalente, analogues au diamant (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 894; Nat. Chem. 2013, 5, 830) et de nouveaux solides moléculaires poreux (Chem. Eur. J. 2020, 26, 7026). Un aperçu du domaine de la construction modulaire et de nos contributions dans ce domaine a été publié récemment (Nat. Commun. 2020, 11, 4652).

II. Science des surfaces. Nos travaux ont montré comment la construction modulaire peut être utilisée en 2D pour aider à contrôler l’adsorption sur les surfaces. Des articles résumant nos travaux sur les surfaces ont été publiés dans Chem. Commun., CrystEngComm, J. Phys. Chem. C, J. Am. Chem. Soc., Cryst. Growth Des. et Langmuir. Ces travaux ont montré l’intérêt particulier d’une double approche dans laquelle l’organisation moléculaire en 3D (déterminée par diffraction des rayons X) est systématiquement comparée à l’organisation en 2D sur les surfaces (révélée par microscopie à sonde à balayage). Cette approche a permis de mieux comprendre l’organisation moléculaire, ce qui n’aurait pas été possible avec des études se concentrant uniquement sur les structures 2D ou 3D. Par exemple, on a utilisé la microscopie à effet tunnel pour étudier en détail comment la cristallisation peut être empêchée (J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13774). Ce genre de travail demande des compétences en conception et synthèse moléculaires, ainsi que la capacité à utiliser des outils sophistiqués d’analyse de surface. Le groupe Wuest a aussi contribué à la science des surfaces en travaillant avec des collègues en médecine pour créer des implants métalliques avec des surfaces gravées ou greffées pour faciliter l’ostéointégration et minimiser l’adhérence bactérienne. Des travaux sur l’acier inoxydable ont été publiés récemment (Colloids Surf. B 2018, 161, 677), et des études antérieures sur le titane et d’autres métaux ont donné lieu à plusieurs brevets et à une série d’articles qui ont maintenant été cités plus de 2 000 fois.

III. Cristallisation moléculaire. Le groupe a une grande expérience de la cristallisation moléculaire, y compris le « dark side » de l’ingénierie cristalline, qui consiste à apprendre comment empêcher la cristallisation et rendre les solides amorphes, à étudier comment la cristallisation est liée à d’autres types d’organisation comme la gélification, et à encourager les composés à exister sous plusieurs formes cristallines. Chaque forme a des propriétés uniques, donc le polymorphisme est un sujet de grande importance dans toutes les industries qui utilisent des solides cristallins, comme les médicaments et les aliments. La découverte de polymorphes jusqu’alors inconnus augmente la diversité des formes solides disponibles et permet d’optimiser les produits en les sélectionnant parmi un éventail d’options aussi large que possible. Les travaux récents du groupe Wuest ont examiné l’origine des niveaux élevés de polymorphisme (J. Org. Chem. 2022, 87, 6680; Acc. Chem. Res. 2020, 53, 2472; Cryst. Growth Des. 2019, 19, 5390), ainsi que de nouvelles façons d’augmenter la diversité polymorphe (Cryst. Growth Des. 2023, 23, 7472; Cryst. Growth Des. 2023, 23, 273; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 11873). Nos méthodes de criblage polymorphe ont été mises en avant (Chem. Eng. News 2020, 98 (29), 9; Chem. World (29 juillet 2020); Org. Process Res. Dev. 2020, 24, 1549) et brevetées (CA 3165292). En plus, trois articles récents ont exploré la relation subtile entre la cristallisation et la gélification (Langmuir 2022, 38, 5111; Cryst. Growth Des. 2022, 22, 643, 3505).

Nos travaux contribuent à une meilleure compréhension de la cristallisation moléculaire et des moyens de la contrôler, et nous travaillons avec des partenaires industriels pour mettre ces connaissances en pratique en développant de meilleures méthodes de criblage pour découvrir de nouvelles formes solides. Dans une certaine mesure, les modes de cristallisation préférés peuvent être identifiés en exploitant les collections existantes de données structurelles ou en utilisant des méthodes computationnelles pour prédire le comportement des composés. Mais ces approches ne sont pas complètes, car elles ne donnent pas de lignes directrices pour trouver de nouveaux domaines prometteurs à explorer, ni ne montrent comment fabriquer en laboratoire les formes solides prévues. Pour aller plus loin, nous combinons l’exploration de bases de données et le calcul avec des expériences intensives, où on fait la synthèse, la cristallisation et l’analyse structurelle de nouveaux composés spécialement conçus pour révéler les règles complexes qui régissent la cristallisation et élargir la gamme des comportements moléculaires connus. Cette approche multiforme offre un moyen prometteur d’identifier des domaines inexplorés de l’espace chimique où de nouveaux matériaux moléculaires cristallins sont susceptibles d’être découverts.

IV. Batteries et autres dispositifs basés de manière durable sur de nouveaux matériaux organiques. Notre expérience et notre perspective multidisciplinaire nous aident à développer des matériaux organiques destinés à être utilisés dans des batteries et d’autres dispositifs. Nous avons passé en revue certains aspects de ce domaine (Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 9105; Chem. Rev. 2013, 113, 3734), et des articles récents ont exploré comment des composants tels que les fullerènes peuvent être organisés dans des matériaux optoélectroniquement actifs (J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 556; Cryst. Growth Des. 2020, 20, 1319; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 18740; Cryst. Growth Des. 2019, 19, 5418; J. Org. Chem. 2017, 82, 5034). D’autres articles ont montré comment les matériaux organiques fabriqués par le groupe ont fonctionné dans des dispositifs photovoltaïques et des diodes électroluminescentes (Can. J. Chem. 2020, 98, 582, 575, 564; J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2017, 55, 1479). Notre recherche dans ces domaines est guidée par les principes de durabilité et de chimie verte, comme le montre notre intérêt pour les solvants optimaux pour le dépôt de couches minces (ACS Sustain. Chem. Eng. 2017, 5, 5994; 2015, 3, 3373) et pour les méthodes de recyclage (Thin Solid Films 2017, 638, 236). Notre priorité actuelle est de développer de nouveaux matériaux organiques redox-actifs pour les batteries (J. Org. Chem. 2023, 88, 16302; J. Org. Chem. 2022, 87, 7673, 15796; J. Org. Chem. 2018, 83, 15426). Un de nos objectifs dans ce domaine est de trouver de nouveaux composés redox-actifs qui ont des structures et des propriétés inhabituelles, mais qui peuvent être facilement fabriqués à partir de ressources renouvelables abondantes comme la biomasse.

V. Mettez votre projet ici. Jim a parfois de bonnes idées, mais la plupart des meilleurs projets résumés ci-dessus dans les sections I à IV ont été proposés et menés par des étudiants gradués et des stagiaires postdoctoraux du groupe Wuest. Rejoignez-nous et mettez votre projet ici !