IBM &Warwick Image pour la première fois une molécule triangulaire hautement réactive

Triangulene obtient son premier gros plan grâce à des scientifiques d'IBM et de l'Université de Warwick

(7 avril, MISE À JOUR :l'article fait la couverture du numéro d'avril de Nature Nanotechnology).

Le mois d'avril 2017 Volume 12 No 4 de Nature Nanotechnology. Crédit image Niko Pavlicek, IBM Research. Conception de la couverture :Bethany Vukomanovic

Publié aujourd'hui dans Nature Nanotechnology, les scientifiques d'IBM rendent vraiment visible l'invisible

Il y a quelques semaines, IBM a publié ses cinq prévisions annuelles pour les cinq prochaines années basées sur ce thème. Les scientifiques d'IBM à Zurich présentent un bon argument pour ajouter une sixième prédiction à leur dernière réalisation scientifique :l'imagerie de certains des plus petits objets connus de la science.

Bien qu'il ne s'agisse pas de noms familiers, les molécules telles que le pentacène, l'olympicène, l'hexabenzocoronène et le céphalandole A sont toutes des molécules microscopiques qui sont traditionnellement représentées à l'aide de modèles de bâtons structurels 2D - pensez à votre cours de chimie au lycée.

Mais grâce à une technique de microscopie publiée par les scientifiques d'IBM en 2009, les physiciens, biologistes et chimistes du monde entier peuvent désormais imager ces molécules avec une clarté et une précision remarquables, dans certains cas pour la première fois, des décennies après leur première théorisation leur permettant de étudier et manipuler avec une précision incroyable.

David Fox, de l'Université de Warwick, explique « Pour les chimistes, il est incroyable de pouvoir voir des molécules individuelles avec une résolution aussi élevée, en particulier des molécules inhabituelles ou très réactives. C'est le meilleur moyen de confirmer leur structure. »

Prof. David Fox, de l'Université de Warwick, a collaboré pour la première fois avec IBM Research en 2012.

En plus de l'imagerie, l'équipe IBM, qui comprend deux lauréats du Conseil européen de la recherche (ERC), Leo Gross et Gerhard Meyer, est également capable de manipuler des molécules pour provoquer des réactions chimiques afin que les molécules puissent être synthétisées à partir de molécules précurseurs adsorbées.

Par exemple, il y a près d'un an, en collaboration avec le CiQUS de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle, les scientifiques ont déclenché et observé une fascinante réaction de réarrangement moléculaire connue sous le nom de cyclisation de Bergman et l'année précédente, ils ont étudié et visualisé les arynes, une famille d'arynes hautement molécules réactives à courte durée de vie, ce qui a été suggéré pour la première fois il y a 115 ans, ce qui prouve qu'elles existent bel et bien. Et maintenant, ils recommencent.

Apparaissant aujourd'hui dans Nature Nanotechnology, les scientifiques d'IBM, en collaboration avec des chimistes de l'Université de Warwick, ont synthétisé et caractérisé une molécule délicate appelée triangulène, également connue sous le nom d'hydrocarbure de Clar, dont l'hypothèse a été émise pour la première fois en 1953.

Anish Mistry, de l'Université de Warwick, poursuit :« Les chimistes ont toujours pensé que le triangulène serait trop instable pour être isolé. Sur la base de notre précédente collaboration avec l'Olympicène, nous avons ajouté un anneau supplémentaire à la molécule et un niveau supplémentaire de complexité à la science, mais avons réussi à créer une molécule auparavant impossible avec des propriétés potentiellement très intéressantes. »

Premier auteur de l'article, le chercheur d'IBM, Niko Pavliček, commente :« Dans ce travail, nous avons utilisé notre technique de manipulation atomique issue des articles aryne et Bergman pour générer du triangulène, qui n'avait jamais été synthétisé auparavant. C'est une molécule difficile car elle est très réactive, mais elle est aussi particulièrement intéressante en raison de ses propriétés magnétiques. »

Comme ils l'ont démontré dans des articles précédents, les scientifiques d'IBM utilisent un microscope à effet tunnel (STM) et un microscope à force atomique (AFM) combinés uniques, tous deux inventés par d'anciens scientifiques d'IBM dans les années 1980 et récompensés respectivement par les prix Nobel et Kavli.

Dans leurs dernières recherches, la pointe acérée du STM/AFM combiné a été utilisée pour éliminer deux atomes d'hydrogène de la molécule précurseur. Le STM effectue sa mesure par effet tunnel mécanique quantique d'électrons entre une pointe amenée très près d'une surface d'échantillon et en appliquant une tension entre eux. À une tension adéquatement élevée, les « électrons de tunnellisation » peuvent induire la suppression des liaisons spécifiques au sein de la molécule précurseur. La molécule du produit peut ensuite être caractérisée par ses orbitales moléculaires lors de l'imagerie à des tensions plus douces.

Ces mesures, combinées aux calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, ont confirmé que le triangulène conserve les propriétés des molécules libres à la surface.

L'équipe a également utilisé l'AFM, avec une pointe terminée par une seule molécule de monoxyde de carbone, pour résoudre ou imager la molécule plane avec ses six anneaux benzéniques fusionnés, qui apparaissent pour la première fois dans un triangle symétrique. Les résultats ont produit d'agréables surprises.

Scientifique IBM Leo Gross a co-développé la technique AFM pour imager le triangulène.

Gross explique :« Les radicaux comportent des électrons non appariés, et nous enquêtions auparavant sur les radicaux sigma. Dans ceux-ci, les électrons non appariés sont attribués à certains atomes et nous avons constaté que ceux-ci formaient toujours des liaisons avec le cuivre. Mais nous avons été surpris qu'aucune liaison ne se forme pour le triangulène sur le cuivre. Nous pensons que c'est parce que le triangulène est un radical pi, ce qui signifie que ses électrons non appariés sont délocalisés.

Ce sont précisément ces électrons non appariés qui rendent la molécule intéressante. En physique classique, une particule chargée se déplaçant dans l'espace possède un moment angulaire et produit un champ magnétique autour d'elle. En mécanique quantique, chaque particule - se déplaçant dans l'espace ou non - possède un moment angulaire intrinsèque supplémentaire, qui s'appelle leur « spin ». Dans la plupart des hydrocarbures conventionnels, les électrons sont toujours appariés et l'effet de leurs spins s'annule. Mais dans des molécules comme le triangulène, le spin des électrons non appariés conduit au magnétisme à l'échelle moléculaire.

Les auteurs pensent qu'au-delà de la science, il existe également plusieurs applications intéressantes pour ce travail.

Pavliček explique :« Les segments de type triangulène incorporés dans des nanorubans de graphène ont été suggérés comme un moyen élégant de concevoir des dispositifs spintroniques organiques. »

Des nanorubans de graphène sont à l'étude pour des applications dans des matériaux nanocomposites, qui sont très résistants et légers. Le domaine de la spintronique est étudié par des groupes du monde entier, y compris chez IBM, pour le stockage et le traitement de l'information.

Pavliček poursuit :« Nous avons également pu démontrer que son magnétisme survit sur les surfaces au xénon ou au chlorure de sodium. Cependant, nous ne pouvons pas obtenir une image détaillée de son état magnétique et des excitations possibles avec notre microscope (qui manque de champ magnétique), il y a donc beaucoup à explorer et à découvrir pour d'autres groupes. »

Certaines de ces recherches sont menées dans le cadre d'un nouveau consortium collaboratif qu'IBM a lancé, appelé IBM Research Frontiers Institute. Dans ce cadre, les membres de l'Institut développent et partagent conjointement des technologies révolutionnaires et explorent leurs implications commerciales.

La recherche a également été partiellement financée par la Commission européenne dans le cadre des projets H2020 PAMS et ITN QTea et des subventions ERC CEMAS et AMSEL.

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