Noces d'or pour les molécules
Les possibilités d'une "nouvelle" chimie
Les synthèses chimiques dans les liquides et les gaz ont lieu dans un espace tridimensionnel. Les collisions aléatoires entre molécules doivent aboutir à quelque chose de nouveau en un temps extrêmement court. Mais il existe une autre possibilité : sur une surface d'or, dans des conditions de vide très poussé, il est possible de faire se combiner des molécules immobiles les unes à côté des autres - même celles qui ne voudraient jamais réagir entre elles dans un liquide. Les chercheurs de l'Empa ont découvert une telle réaction. Mieux encore, les experts peuvent "prendre des photos" et observer chaque étape de la réaction.
Rendu artistique de la 3+3-cycloaddition découverte au laboratoire "nanotech@surfaces" de l'Empa.
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Synthèse chimique sur une surface en or : un hydrogène est extrait de groupes isopropyles saturés. Les atomes de carbone (rouge et bleu dans l'image ci-dessus) se combinent pour former un nouveau cycle benzénique. Une chaîne polymère est formée, visible au microscope à force atomique.
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En chimie, il existe des structures particulièrement stables, comme le "cycle benzénique", composé de six atomes de carbone reliés entre eux. Ces anneaux constituent la base structurelle du graphite et du graphène, mais ils sont également présents dans de nombreuses teintures - comme l'indigo du jean - et dans de nombreux médicaments comme l'aspirine.
Lorsque les chimistes ont voulu construire de tels cycles de manière ciblée, ils ont utilisé des réactions dites de couplage, qui portent généralement le nom de leurs inventeurs : par exemple, la réaction de Diels-Alder, la réaction d'Ullmann, la cyclisation de Bergman ou le couplage de Suzuki. Il en existe maintenant une autre qui n'a pas encore de nom. Elle a été découverte par une équipe de l'Empa en collaboration avec l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence.
Tout dans le sec
Les chercheurs de l'Empa ont renoncé aux liquides dans leur synthèse chimique et ont fixé les matières premières sur une surface en or sous ultravide. Le matériau de départ (diisopropyl-p-terphényle) repose tranquillement dans le microscope à effet tunnel refroidi avant que les chercheurs ne fassent monter la température.
Augmenter le chauffage - mouvement sur la piste de danse
À température ambiante, rien ne se passe encore, mais à environ 200 degrés Celsius, une réaction étonnante se produit, qui ne se produirait jamais dans les liquides : les deux groupes isopropyle - qui sont normalement totalement inactifs d'un point de vue chimique - se combinent pour former un cycle benzénique. La raison : en raison de la forte "adhésion" à la surface de l'or, un atome d'hydrogène est d'abord détaché, puis libéré de la molécule. Cela crée des radicaux de carbone qui attendent de nouveaux partenaires. Et les partenaires sont nombreux sur la surface de l'or. À 200 degrés Celsius, les molécules vibrent et exécutent des pirouettes rapides - il y a beaucoup de mouvement sur la piste de danse dorée. Ainsi, ce qui appartient à un même groupe se rassemble rapidement.
Et encore une fois, tout est au ralenti
La rencontre sur la surface dorée présente deux avantages. Premièrement, il n'y a pas besoin de coercition : la réaction a lieu sans acides boriques médiateurs ni atomes d'halogène qui s'envolent. Il s'agit d'un couplage impliquant uniquement des hydrocarbures saturés. Les matières premières sont bon marché et faciles à obtenir, et il n'y a pas de sous-produits toxiques.
Le deuxième avantage est que les chercheurs peuvent observer chaque étape de la réaction, ce qui n'est pas possible avec la chimie classique, dite "liquide". L'équipe de l'Empa a simplement augmenté progressivement la température de la surface de l'or. A 180 degrés Celsius, les molécules n'ont relié qu'un bras à leurs voisines, le second dépasse encore librement sur la piste de danse. Si l'on refroidit la surface d'or à l'intérieur d'un microscope à effet tunnel, on peut voir et "photographier" les molécules juste avant leur "mariage". C'est exactement ce que les chercheurs ont fait. Ainsi, le mécanisme de réaction peut être suivi sous forme d'"instantanés".
Les possibilités d'une "nouvelle" chimie
Les chercheurs et leurs collègues s'attendent à ce que deux types d'effets émergent des travaux actuels. Tout d'abord, la "méthode de l'instantané" pourrait également permettre d'élucider des mécanismes réactionnels complètement différents. L'Empa développe actuellement des instruments qui utilisent des impulsions laser ultracourtes dans un microscope à effet tunnel pour élucider pas à pas de telles réactions chimiques. Cela pourrait apporter de nouvelles connaissances sur les réactions chimiques et bientôt ébranler de nombreuses vieilles théories.
Toutefois, les résultats de la recherche "à sec" pourraient également être utiles pour poursuivre le développement de la chimie "liquide". Jusqu'à présent, la plupart des réactions documentées dans la littérature provenaient de la chimie liquide classique, et les chercheurs de la sonde à balayage ont pu recréer ces expériences. À l'avenir, certaines réactions pourraient également être conçues dans le microscope à effet tunnel et transférées ultérieurement à la chimie liquide ou gazeuse.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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