Imagerie de molécules dans différents états de charge

La conversion d'énergie et le transport d'énergie dans les systèmes vivants reposent sur la charge et la décharge de molécules. Le plus important dans cet aspect est la famille des porphyrines, comprenant la chlorophylle et l'hémoglobine. Les transitions de charge de ces molécules sont essentielles à la vie. Les transitions de charge des molécules jouent également un rôle crucial dans les dispositifs électroniques organiques et photovoltaïques organiques.

Lorsqu'une molécule est chargée, cela modifie à la fois la structure et la fonction de la molécule. Résoudre les changements structurels des molécules lorsqu'elles se chargent améliore notre compréhension de ces relations fondamentales.

Mes collègues de recherche d'IBM et moi-même, ainsi que des collaborateurs de CiQUS, de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle et d'ExxonMobil, ont fait un rapport dans la revue à comité de lecture Science que nous avons pu résoudre avec une résolution sans précédent les changements structurels des molécules individuelles lors de la charge, y compris la porphine, le composé parent des porphyrines. Cette nouvelle compréhension dévoile certains des mystères des relations charge-fonction moléculaire en ce qui concerne la façon dont la biologie convertit et transporte l'énergie.

Dix ans de préparation

Il y a dix ans, mes collègues et moi avons développé une technique pour résoudre la structure des molécules avec une résolution atomique (Science 325, 1110, 2009) et plus tard nous avons démontré sa sensibilité pour sonder la force des liaisons dans les molécules (Science 337, 1326, 2012) . Notre astuce pour améliorer la résolution de l'imagerie consistait à fonctionnaliser la pointe d'un microscope à force atomique à basse température avec une seule molécule de monoxyde de carbone (CO). Au fil des ans, nous avons fait progresser cette technique pour contrôler l'état de charge des molécules, que nous avons placées sur des isolants pour exclure les fuites de charge (Nature Comm. 6, 8353, 2015). Avec la tension appliquée entre la pointe de l'AFM et l'échantillon, nous pouvons contrôler le nombre d'électrons sur une molécule.

L'année dernière, mon collègue Shadi Fatayer et moi avons réfléchi à la manière dont nous pourrions combiner ces travaux antérieurs. C'est-à-dire l'imagerie de molécules à ultra haute résolution à l'aide de pointes en CO tout en contrôlant la charge. Dans notre nouvelle publication, nous montrons comment cet objectif a été atteint et nous présentons ce qui peut être appris en étudiant les états de charge de plusieurs molécules ayant une importance dans différents domaines.

Les résultats

Premièrement, nous avons montré que les changements dans la géométrie d'adsorption peuvent être résolus en étudiant un commutateur moléculaire bien connu (azobenzène). Les deux groupes plans de la molécule étaient parallèles lorsqu'elle était neutre. Nous avons constaté qu'ils s'inclinent l'un par rapport à l'autre lorsqu'un électron est attaché, chargeant négativement la molécule.

Ensuite, nous nous sommes concentrés sur les changements induits par la charge dans la force des liaisons individuelles. Ce sont de petits effets et nous avons choisi un composé modèle (le pentacène) pour voir s'ils pouvaient être résolus. Nous pourrions manipuler cette molécule modèle dans quatre états de charge différents, du positif au doublement négatif. Nous avons déterminé quelles liaisons au sein de la molécule se renforcent et lesquelles s'affaiblissent lorsque nous modifions la charge. Sur ce système de modèle, nous avons appris comment les images prises dans différents états de charge peuvent être comparées.

Ensuite, nous avons appliqué notre méthode à une molécule (TCNQ), qui est fréquemment utilisée comme accepteur de charge et résout à la fois les distorsions hors du plan et les changements de force de liaison en fonction de l'état de charge. Étonnamment, cette molécule se dresse lorsqu'elle est neutre et se couche à la surface lorsqu'elle est négative ou doublement négative. L'aromaticité accrue de l'anneau moléculaire central de l'état de charge négatif à l'état de charge doublement négatif peut être observée.

Enfin - et peut-être la molécule la plus intéressante que nous avons étudiée - est la porphine, le composé parent de la chlorophylle et de l'hémoglobine. La façon dont ces molécules modifient leur voie de conjugaison est controversée et il est très important de comprendre leurs fonctions. Pour la première fois, nous avons pu visualiser les changements dans la voie de conjugaison et l'aromaticité de la porphine dans trois états de charge différents.

Grâce à notre nouvelle technique, nous pouvons mieux comprendre comment la charge modifie la structure et la fonction des molécules, ce qui est vital à bien des égards, comme la photoconversion et le transport d'énergie dans les organismes vivants.

Élucidation de la structure moléculaire avec contrôle de l'état de charge , Science, Shadi Fatayer, Florian Albrecht, Yunlong Zhang, Darius Urbonas, Diego Peña, Nikolaj Moll, Leo Gross, DOI :10.1126/science.aax5895

Le projet a été soutenu par la subvention de consolidation du Conseil européen de la recherche 'AMSEL' (contrat n° 682144), Agencia Estatal de Investigación (MAT2016-78293-C6-3-R), Xunta de Galicia (Centro singulier de investigación de Galicia , accréditation 2016-2019, ED431G/09), et le Fonds européen de développement régional.