IBM et scientifiques de Warwick capturent la première image haute résolution de triangulène, molécule triangulaire hautement réactive

Le triangulène obtient son premier gros plan grâce aux chercheurs d'IBM et de l'Université de Warwick.

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

Le volume 12 n° 4 d'avril 2017 de Nature Nanotechnology. Crédit image Niko Pavlicek, IBM Research. Design couverture : Bethany Vukomanovic

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

Il y a quelques semaines, IBM a publié ses cinq prédictions annuelles pour les cinq prochaines années. Maintenant, les chercheurs de Zurich ajoutent une sixième prédiction : la capacité d'imager et manipuler les plus petites molécules connues avec une précision sans précédent.

Traditionnellement, des molécules comme le pentacène, l'olympice, l'hexabenzocoronène et la cephalandole A sont représentées par des modèles 2D en bâtons. Grâce à une méthode de microscopie introduite par IBM en 2009, les scientifiques du monde entier peuvent maintenant capturer ces structures avec un détail remarquable, parfois pour la première fois des décennies après leur proposition théorique.

« Voir des molécules individuelles à une telle haute résolution est transformateur pour les chimistes, surtout pour des espèces inhabituelles ou hautement réactives », dit le Prof. David Fox, Université de Warwick.

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

L'équipe IBM, comprenant deux lauréats de subventions ERC — Leo Gross et Gerhard Meyer — effectue aussi de la manipulation atomique, permettant des réactions chimiques contrôlées sur une surface.

L'an dernier, en partenariat avec CiQUS à l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle, l'équipe a déclenché et observé une cyclisation de Bergman, tandis que l'année précédente ils ont visualisé des arynes — molécules hautement réactives à vie courte proposées il y a 115 ans — confirmant leur existence.

Aujourd'hui, les chercheurs d'IBM et chimistes de Warwick ont synthétisé et caractérisé le triangulène (hydrocarbure de Clar), une molécule hypothétisée pour la première fois en 1953 mais jugée trop instable pour être isolée.

« Nous avons ajouté un anneau supplémentaire au cadre de l'olympice, augmentant la complexité mais produisant finalement une molécule aux propriétés fascinantes », explique Anish Mistry, Université de Warwick.

Le premier auteur Niko Pavliček, IBM, note que « nous avons utilisé notre technique de manipulation atomique des études sur l'aryne et Bergman pour générer le triangulène, une espèce hautement réactive, jamais synthétisée auparavant, avec des caractéristiques magnétiques notables. »

Le travail s'appuie sur la combinaison pionnière d'IBM entre microscopie à effet tunnel (STM) et microscopie à force atomique (AFM), technologies qui ont valu à d'anciens scientifiques IBM les prix Nobel et Kavli dans les années 1980.

Dans cette étude, la pointe STM a retiré deux atomes d'hydrogène d'une molécule précurseur par des électrons de tunnel induits par tension. Le produit résultant a été imagé à des tensions plus basses pour révéler ses orbitaux moléculaires. Les calculs de théorie de la fonctionnelle de densité ont corroboré que le triangulène conserve ses propriétés intrinsèques quand il est adsorbé sur une surface.

L'AFM, équipé d'une pointe terminée par monoxyde de carbone, a résolu les six anneaux de benzène fusionnés du molécule plane, formant un triangle symétrique — sa première image haute résolution.

Le scientifique IBM Leo Gross a co-développé la technique AFM utilisée pour imager le triangulène.

Gross explique : « Alors que les radicaux sigma se lient généralement au cuivre, le triangulène — étant un radical pi avec électrons non appariés délocalisés — ne forme pas de telles liaisons sur le cuivre, un résultat surprenant qui met en lumière sa structure électronique unique. »

Les électrons non appariés donnent lieu à des moments magnétiques à l'échelle moléculaire. Dans les hydrocarbures conventionnels, les électrons appariés annulent les effets de spin, mais les spins délocalisés du triangulène produisent un magnétisme mesurable, une propriété avec des applications spintroniques potentielles.

Pavliček envisage « des segments de type triangulène incorporés dans des nanorubans de graphène comme une voie prometteuse vers des dispositifs spintroniques organiques. » Les nanorubans de graphène sont aussi explorés pour des composites légers à haute résistance.

« Nous avons démontré que le magnétisme du triangulène persiste sur surfaces xénon ou chlorure de sodium », ajoute Pavliček. « Cependant, notre STM/AFM actuel manque de champ magnétique, laissant les états magnétiques détaillés et excitations ouverts pour de futures études. »

Cette recherche fait partie du nouveau Consortium Collaboratif d'IBM, l'IBM Research Frontiers Institute, qui réunit des membres pour développer des technologies révolutionnaires et évaluer les impacts business.

Le financement a été partiellement fourni par la Commission européenne via les projets Horizon 2020 PAMS et ITN QTea et les subventions ERC CEMAS et AMSEL.

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