Câblés par la nature : des molécules de précision pour l'électronique de demain
Des chercheurs de l'Empa ont réussi pour la première fois à lier avec une précision atomique des molécules de porphyrine organique avec des centres métalliques fonctionnels à un nanoruban de graphène. Le système hybride ainsi obtenu est couplé magnétiquement et électroniquement, ce qui ouvre la voie à de nombreuses applications dans le domaine de l'électronique moléculaire, de la détection chimique aux technologies quantiques.
Un nanoruban de graphène relie des molécules de porphyrine - chacune dotée d'un centre métallique (rouge) - comme une guirlande moléculaire de lumières de Noël. Les atomes de métal sont maintenus en place par quatre atomes d'azote (bleu) à l'intérieur du noyau de porphyrine.
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Une précision extrême : Avec leur méthode, les chercheurs de l'Empa peuvent synthétiser la structure moléculaire avec une précision atomique, comme le confirme l'imagerie microscopique (en haut : microscopie à effet tunnel ; en bas : microscopie à force atomique sans contact).
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La chimie organique, c'est-à-dire la chimie des composés du carbone, est à la base de toute vie sur Terre. Cependant, les métaux jouent également un rôle clé dans de nombreux processus biochimiques. Lorsqu'il s'agit de "marier" de gros atomes de métaux lourds avec des composés organiques légers, la nature a souvent recours à un groupe spécifique de structures chimiques : les porphyrines. Ces molécules forment un anneau organique au centre duquel peuvent être "ancrés" des ions métalliques individuels tels que le fer, le cobalt ou le magnésium.
La structure des porphyrines est à la base de l'hémoglobine du sang humain, de la chlorophylle photosynthétique des plantes et de nombreuses enzymes. Selon le métal capturé par la porphyrine, les composés qui en résultent peuvent présenter un large éventail de propriétés chimiques et physiques. Les chimistes et les spécialistes des matériaux cherchent depuis longtemps à exploiter cette flexibilité et cette fonctionnalité des porphyrines, notamment pour des applications dans le domaine de l'électronique moléculaire.
Toutefois, pour que les composants électroniques - même moléculaires - fonctionnent, ils doivent être connectés les uns aux autres. Or, connecter des molécules individuelles n'est pas une tâche aisée. C'est pourtant ce qu'ont réussi à faire les chercheurs du laboratoire nanotech@surfaces de l'Empa en collaboration avec les chimistes de synthèse de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Ils ont réussi à fixer des porphyrines sur un nanoruban de graphène de manière parfaitement précise et bien définie. L'étude correspondante vient d'être publiée dans la revue Nature Chemistry.
Une "épine dorsale" de carbone
Les nanorubans de graphène sont des bandes longues et étroites du matériau carboné bidimensionnel qu'est le graphène. Selon leur largeur et la forme de leurs bords, ils présentent une large palette de propriétés physiques, notamment différentes conductivités, du magnétisme et un comportement quantique. Les chercheurs de l'Empa ont utilisé comme fil moléculaire un ruban d'un nanomètre de large dont les bords sont en zigzag. Le long de ces bords, les molécules de porphyrine sont arrimées à intervalles parfaitement réguliers, alternant entre les côtés gauche et droit du ruban.
"Notre ruban de graphène présente un type de magnétisme particulier grâce à ses bords en zigzag", explique Feifei Xiang, auteur principal de l'étude. Les atomes métalliques des molécules de porphyrine, en revanche, sont magnétiques de manière plus "conventionnelle". La différence réside dans les électrons qui fournissent le spin responsable du magnétisme. Alors que les électrons porteurs de spin dans le centre métallique restent localisés sur l'atome de métal, les électrons correspondants dans le ruban de graphène "s'étalent" sur les deux bords. "Grâce au couplage des porphyrines à l'épine dorsale du graphène, nous avons réussi à combiner et à relier les deux types de magnétisme dans un seul système", explique Oliver Gröning, co-auteur et directeur adjoint du laboratoire nanotech@surfaces.
Ce couplage ouvre de nombreuses portes dans le domaine de l'électronique moléculaire. Le ruban de graphène sert à la fois de conducteur électrique et magnétique - une sorte de "câble" à l'échelle nanométrique entre les molécules de porphyrine. Le magnétisme corrélé de ces nanorubans de graphène est considéré comme particulièrement prometteur pour les applications de la technologie quantique, où le spin sous-jacent au magnétisme agit comme un vecteur d'information. "Notre ruban de graphène avec les porphyrines pourrait fonctionner comme une série de qubits interconnectés", explique Roman Fasel, directeur du laboratoire "nanotech@surfaces".
Détecter, émettre, conduire
Mais ce n'est pas tout : Les porphyrines sont également des pigments naturels, comme le montrent des molécules telles que la chlorophylle et l'hémoglobine. Pour les spécialistes des matériaux, cela signifie que "les centres des porphyrines sont optiquement actifs", explique M. Gröning. Et l'optique est un moyen important d'interagir avec les propriétés électroniques et magnétiques de ces chaînes moléculaires. Les porphyrines peuvent émettre de la lumière dont la longueur d'onde varie en fonction de l'état magnétique de l'ensemble du système moléculaire - une sorte de guirlande lumineuse moléculaire, où l'information pourrait être lue par de subtils changements de couleur.
Le processus inverse est également possible : Les porphyrines pourraient être excitées par la lumière, influençant ainsi la conductivité et le magnétisme de l'épine dorsale du graphène. Ces molécules polyvalentes pourraient même servir de capteurs chimiques. Les molécules de porphyrine peuvent être facilement fonctionnalisées, c'est-à-dire modifiées chimiquement par l'ajout de groupes chimiques spécifiques. Si l'un de ces groupes ajoutés se lie à une substance chimique cible, cette interaction affecte également la conductivité du ruban de graphène.
"Notre système est une boîte à outils qui peut être utilisée pour régler différentes propriétés", explique M. Fasel. Les chercheurs prévoient ensuite d'explorer différents centres métalliques à l'intérieur des porphyrines et d'étudier leurs effets. Ils souhaitent également élargir l'épine dorsale du ruban de graphène, afin de doter leur système moléculaire d'une base électronique encore plus polyvalente. La synthèse de ces "guirlandes lumineuses" est loin d'être triviale. "Nos partenaires de l'Institut Max Planck ont pu produire des molécules précurseurs constituées d'un noyau de porphyrine complété par quelques anneaux de carbone placés exactement aux bons endroits", explique M. Gröning. Ces molécules complexes sont ensuite "cuites" à plusieurs centaines de degrés Celsius sous ultravide pour former les longues chaînes. Une surface en or sert de "plaque de cuisson". C'est la seule façon d'obtenir ces structures fines comme le nanomètre avec une précision atomique. Avec le soutien de la Fondation Werner Siemens, l'équipe de l'Empa travaille maintenant à rendre ces nouveaux matériaux de conception utilisables pour les technologies quantiques futures.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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