Les nanotechnologues assemblent des nanodispositifs complexes, comme les puces informatiques, molécule par molécule en utilisant des techniques « bottom-up » qui reflètent la nature. Une approche transporte les molécules le long des surfaces dans des arrangements nouveaux et fonctionnels à l'aide d'électrons provenant d'une pointe de microscope à effet tunnel (STM). Cependant, parce que le transfert d'énergie entre la pointe à l'échelle atomique et le produit chimique de surface implique de nombreuses interactions complexes, des efforts laborieux sont actuellement nécessaires pour comprendre même les réactions les plus simples.

Résultats d'une nouvelle étude théorique et expérimentale, cependant, pourrait bientôt permettre aux non-spécialistes de construire facilement des dispositifs moléculaires. Kenta Motobayashi et Yousoo Kim du RIKEN Advanced Science Institute à Wako et leurs collègues du RIKEN et des universités japonaises ont développé une formule mathématique qui décrit comment les vibrations moléculaires induites par STM se couplent aux mouvements dynamiques sur les surfaces, permettant un calcul précis de l'énergie et du nombre de électrons nécessaires pour initier les mouvements d'une seule molécule.

Lorsque les scientifiques utilisent un STM pour effectuer un mouvement moléculaire simple, par exemple, en faisant « sauter » les composés de monoxyde de carbone (CO) sur les surfaces de palladium – ils voient que la fraction de mouvements réussis dépend fortement de la tension appliquée. Pour le CO, c'est parce que le saut d'un site de surface à un autre nécessite un électron tunnel pour initier une vibration d'étirement spécifique. Dans la gamme de tension correspondant à cette énergie vibratoire, Le saut de CO peut augmenter de façon exponentielle, donnant lieu à ce qu'on appelle des «spectres d'action» :des courbes de rendements de mouvement en fonction de la tension avec des formes caractéristiques de réactions de surface particulières.

Motobayashi, Kim et ses collègues ont cherché à découvrir les mécanismes microscopiques derrière la diffusion stimulée par STM en proposant une formule qui relie les rendements de mouvement à l'efficacité de transfert d'énergie nécessaire pour exciter les vibrations de déclenchement de réaction, tout en tenant compte des interactions thermiques. L'ajustement des spectres d'action du CO à cette formule a révélé l'ampleur exacte des propriétés de réaction critiques, comme les énergies vibratoires et les constantes de vitesse, car les courbes spectrales étaient très sensibles à de petites modifications des paramètres d'ajustement.

Par ailleurs, la nouvelle équation de l'équipe s'est avérée suffisamment polyvalente pour analyser les mouvements plus complexes du butène (C 4 H 8 ) molécules sur palladium, un processus qui implique de multiples excitations. L'analyse des spectres d'action du butène avec la formule a montré la présence de trois vibrations distinctes et a permis de calculer l'ordre de réaction, une propriété chimique fondamentale qui identifie le nombre d'électrons tunnel nécessaires pour initier un mouvement de surface.

Selon Motobayashi, les capacités surprenantes de cette méthode simple devraient étendre les pratiques de nanotechnologie ascendantes. « Spectroscopie d'action basée sur STM, qui permet d'identifier précisément les espèces chimiques grâce à nos ajustements spectraux, promet de contribuer grandement à la technique de composition des dispositifs moléculaires, », déclare-t-il.