Comment réaliser un couteau suisse moléculaire ?

La manipulation d’un atome et d’une molécule à l’aide d’un microscope à effet tunnel a permis la construction d’un nano-objet dont les propriétés électroniques et mécaniques sont modulables en fonction de la position de l’atome dans la molécule.

L’objectif des nanotechnologies est d’explorer, de comprendre et de contrôler la matière à l’échelle atomique, afin de concevoir et fabriquer des nano-objets avec différentes fonctionnalités. Ainsi, de nombreuses molécules de plus en plus complexes sont synthétisées pour réaliser une fonctionnalité particulière lorsqu’elles sont déposées sur une surface. Une avancée dans ce domaine vient d’être réalisée en construisant par manipulation atomique à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) un système simple dont l’électroaffinité et la motilité peuvent être modulées à volonté. L’électroaffinité est une propriété électronique qui contrôle plusieurs attributs importants d’une molécule comme sa réactivité chimique, sa résistance électrique, son potentiel électrochimique, etc. La motilité, c’est-à-dire la capacité pour une molécule à se déplacer sur une surface sous l’action d’un apport d’énergie extérieur, est une propriété mécanique particulièrement importante pour le développement de moteurs puis de machines moléculaires.

Dans ce travail, des chercheurs du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (CNRS/Université Paris Diderot) et du Service de Physique de l’Etat Condensé (CNRS/CEA, Saclay) ont utilisé une molécule de porphyrine et un atome d’or déposés sur une surface d’or (111) refroidie à -269°C. La porphyrine, représentée sur la figure 1, est une molécule qui est constituée de deux types de cycles carbonés (phényles et pyrroles), et d’un macrocycle central porteur de deux atomes d’hydrogène. La pointe d’un STM est utilisée soit pour préparer le système en poussant la molécule sur la surface, soit pour mesurer ses propriétés et l’actionner grâce au courant d’électrons tunnel. Ainsi, le positionnement d’un cycle phényle ou pyrrole sur un atome d’or modifie l’électroaffinité de la molécule grâce un transfert de charges de la surface vers la molécule.

Une étape supplémentaire de manipulation permet d’amener l’atome d’or au centre de la molécule et d’enlever un atome d’hydrogène pour obtenir une structure capable de tourner sous l’effet du passage d’un courant tunnel. On obtient ainsi un rotor moléculaire dont l’axe de rotation est l’atome d’or (cf. figure 2). La structure de ce rotor a été identifiée par comparaison avec des calculs théoriques qui ont permis de mettre en évidence la déshydrogénation de la molécule (voir figure 1). Enfin, une nouvelle étape permet de déshydrogéner complètement la molécule et conduit à une structure capable de se déplacer sur la surface d’or sous l’effet du champ électrique créé par la pointe : un mobile moléculaire.

Ce travail montre qu’il est possible de moduler volontairement les propriétés électroniques et mécaniques d’un nano-objet simple comme une molécule unique, afin d’en exploiter différentes fonctionnalités, réalisant ainsi un véritable couteau suisse moléculaire.

Contact :

jerome.lagoute@univ-paris-diderot.fr

Référence : 

Tuning the electronic and dynamical properties of a molecule by atom trapping chemistry
V. D. Pham, V. Repain, C. Chacon, A. Bellec, Y. Girard, S. Rousset, E. Abad, Y. J. Dappe, A. Smogunov, and J. Lagoute
ACS Nano (2017) DOI : 10.1021/acsnano.7b05235