La cocotte-minute moléculaire
Nouvelle méthode de fabrication de nanostructures à partir de molécules
Recherche fondamentale au musée de la recherche : une équipe de nanoscientifiques a développé dans les laboratoires du Deutsches Museum une méthode inédite pour produire des nanostructures moléculaires stables sur des surfaces inertes. Les résultats de ce travail viennent d'être publiés dans la revue spécialisée Angewandte Chemie International Edition.
Lukas Grossmann au montage expérimental du nanolaboratoire du Deutsches Museum.
Deutsches Museum
Nanostructures à la surface du graphite.
Deutsches Museum
Cela ressemble un peu à une cave de bricolage pour bricoleurs : des étagères à outils au mur, des tables avec des appareils étranges, des vis, des pinces, des accessoires électroniques et mécaniques, un poste de travail informatique, une tour avec des composants électroniques de différentes époques et, au milieu, le véritable dispositif expérimental : une construction composée d'une chambre à vide avec différentes conduites et fenêtres de contrôle et un microscope à balayage à effet tunnel comme pièce maîtresse. C'est ici que travaillent Markus Lackinger, le directeur du laboratoire de nanosciences du Deutsches Museum, et son post-doc Lukas Grossmann.
Leur domaine de recherche s'appelle "OSS", On-Surface Synthesis : des molécules spécialement conçues sont déposées sur (On) une surface (Surface), puis amenées à réagir par chauffage dans un ultra-vide afin de les assembler entre elles pour former des nanostructures (Synthesis). "Par la voie traditionnelle, les molécules destinées à de tels processus sont déposées sur des surfaces métalliques qui favorisent la réaction, mais qui présentent malheureusement aussi de solides inconvénients", explique Markus Lackinger.
Ainsi, les interactions avec le métal sous-jacent influencent et modifient les propriétés des nanostructures résultantes, particulièrement pertinentes pour les applications. En outre, les métaux - l'or, l'argent ou le cuivre étant les plus utilisés - rendent les nanostructures moins stables, car ils ne facilitent pas seulement la réaction de liaison souhaitée, mais accélèrent tout autant la décomposition des réseaux et des molécules. Les surfaces métalliques sont en outre très sensibles à l'encrassement et à l'oxydation. Cela est critique si les nanostructures doivent être utilisées à l'avenir en dehors de l'ultra-vide dans lequel elles ont été fabriquées.
Il y a environ un an, Markus Lackinger et son collègue Lukas Grossmann ont donc commencé à expérimenter avec le graphite comme support pour la synthèse de molécules. "Pour notre réaction, le graphite n'a aucun effet chimique", explique Grossmann, "ce qui signifie que les nanostructures moléculaires se forment uniquement sous l'influence de la température. Ainsi, la surface du graphite ne contribue pas non plus à la décomposition, ce qui rend les nanostructures sur le graphite beaucoup plus robustes que sur une surface métallique". Et comme les nanostructures n'interagissent que faiblement avec le support en graphite, il serait plus facile à l'avenir d'étudier leurs propriétés intrinsèques et de les utiliser par la suite.
Mais ce n'était pas aussi simple que cela - remplacer l'or par du graphite : "Lors du chauffage, il manquait un avantage important des métaux, à savoir qu'ils lient fortement les molécules à la surface", explique Lackinger. "En se posant sur le graphite, les molécules se seraient pour ainsi dire dissoutes dans l'air avec l'augmentation des températures". Pour ainsi dire - car "air" n'est effectivement pas le terme approprié dans ce cas, car la synthèse se déroule normalement dans le vide.
Et c'est justement là que se trouvait la solution du problème : "Notre astuce consiste à ne pas chauffer sous vide, mais dans une atmosphère de gaz rares", explique Markus Lackinger. "Les atomes d'argon maintiennent nos molécules suffisamment longtemps à la surface du graphite pour qu'elles puissent réagir entre elles à des températures plus élevées sans s'envoler". Une autre astuce a été d'augmenter la température environ cent fois plus lentement que d'habitude. Ce n'est qu'ainsi que les molécules ont suffisamment de temps pour se lier et donc se stabiliser à la température de réaction.
En revanche, la méthode fonctionne même sur les surfaces du matériau miracle qu'est le graphène. Ce matériau bidimensionnel, épais d'un seul atome de carbone, est encore moins réactif et particulièrement attrayant pour la science en raison de ses propriétés exotiques : "Les nanostructures moléculaires covalentes sur le graphène pourraient être le point de départ de la fabrication et de l'étude de nouveaux composants électroniques à partir de nanostructures moléculaires", estime Markus Lackinger.
Avec la publication sur la "cocotte-minute moléculaire", comme Markus Lackinger appelle le chauffage à haute température dans un gaz rare, dans la revue spécialisée Angewandte Chemie International Edition, les résultats pourraient également servir de base à d'autres travaux de recherche d'autres groupes de travail. Dans les laboratoires du musée de recherche sur l'île des musées à Munich, les scientifiques testent d'abord leur méthode avec d'autres molécules.
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