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Les physiciens de l’Université de Bath ont découvert comment manipuler et contrôler des molécules individuellement pour un millionième de milliardième de seconde, après avoir été intrigués par des résultats apparemment étranges. Leur nouvelle technique est le moyen le plus efficace pour contrôler une réaction chimique sur certaines des plus petites échelles que les scientifiques peuvent utiliser – au niveau d’une seule molécule.

Contrôler des molécules individuellement

Une expérience à l’extrême limite des nanosciences appelée «manipulation moléculaire par STM (microscope à effet tunnel à balayage)» est souvent utilisée pour observer la réaction des molécules individuellement lorsqu’elles sont excitées par l’ajout d’un seul électron. Un chimiste traditionnel peut utiliser une éprouvette et un bec Bunsen pour provoquer une réaction. Voici à la base comment fonctionne un microscope à effet tunnel :

Ici, ils ont utilisé un microscope et son courant électrique pour produire la réaction. Le courant est si petit qu’il ressemble davantage à une série d’électrons frappant la molécule cible. Mais toute cette expérience est un processus passif – une fois que l’électron est ajouté à la molécule, les chercheurs observent seulement ce qui se passe.

Lorsque le Dr Kristina Rusimova a passé en revue ses données du laboratoire pendant ses vacances, elle a découvert des résultats anormaux dans une expérience standard qui, lors d’investigations ultérieures, n’a pas pu être expliquée. Lorsque le courant électrique est augmenté, les réactions sont toujours plus rapides, sauf ici.

Démystifier cet effet

Le Dr Rusimova et ses collègues ont passé des mois à réfléchir à des explications pour démystifier cet effet et à répéter les expériences, mais ont finalement réalisé qu’ils avaient trouvé un moyen de contrôler des molécules individuellement. Cette découverte a été publiée dans Science.

L’équipe a découvert qu’en gardant la pointe de leur microscope très proche de la molécule qu’ils voulaient étudier, dans un rayon de 600 à 800 milliards de mètres, la durée pendant laquelle l’électron adhère à une molécule cible peut être réduite de plus de deux ordres de grandeur, et ainsi la réaction résultante, entraînant ici des molécules individuelles de toluène à se décoller (désorber) d’une surface de silicium, qui peut être contrôlée.

L’équipe pense que la pointe et la molécule interagissent pour créer un nouvel état quantique, qui offre un nouveau canal vers lequel l’électron peut sauter de la molécule, réduisant ainsi le temps passé par l’électron sur la molécule provoquant une réaction. Cela signifie que le temps de la réaction peut être contrôlé de 10 femtosecondes en seulement 0,1 femtoseconde.

Le Dr Rusimova a déclaré: «il s’agissait de données provenant d’une expérience absolument standard que nous faisions parce que nous pensions avoir épuisé toutes les choses intéressantes – c’était juste une vérification finale. Mais mes données semblaient «fausses» – tous les graphiques étaient censés augmenter et les miens ont diminué. »

Un effet complètement nouveau

Le Dr Peter Sloan, auteur principal de l’étude, a ajouté: «si tout cela était exact, nous avions eu un effet complètement nouveau, mais nous savions que si nous allions réclamer quelque chose d’aussi frappant, nous devions faire un travail pour nous assurer qu’elle était réel et non un faux positif.

Dr Sloan a ajouté: «L’objectif fondamental de ce travail est de développer des outils permettant de contrôler la matière à cette limite extrême. Qu’il s’agisse de briser des liaisons chimiques se trouvant dans nature, ou de produire des architectures moléculaires interdites thermodynamiquement. Notre travail offre une nouvelle voie pour contrôler les molécules et leur réaction.

Nous avons essentiellement un nouveau cadre que nous pouvons définir lors de l’exécution de nos expériences. La nature extrême de ce travail sur ces échelles complique la tâche, mais cette technique offre une résolution et une reproductibilité extrêmes.

De nouvelles expériences à l’échelle nanométrique

L’équipe espère que leur nouvelle technique ouvrira la porte à de nombreuses nouvelles expériences et découvertes à l’échelle nanométrique, grâce aux options qu’offre cette nouvelle technique.

En résumé, les réactions des molécules sur des surfaces peuvent être induites en injectant des électrons à partir de la pointe d’un microscope à effet tunnel. L’équipe a démontré que pour la désorption induite par la pointe des molécules de toluène à partir d’une surface de silicium, il existe deux canaux d’activation: l’un est invariant, mais l’autre dépend de la hauteur de la pointe au-dessus de la surface. Lorsque la pointe est très proche de la molécule, elle peut « éteindre » l’excitation de cette molécule.

Source : University of Bath