Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université technique de Munich (TUM) a découvert un chemin de réaction qui produit des couches exotiques avec des structures semi-régulières. Ces types de matériaux sont intéressants car ils possèdent souvent des propriétés extraordinaires. Dans le processus, les molécules organiques simples sont converties en unités plus grandes qui forment le complexe, motifs semi-réguliers. Avec des expériences à BESSY II à Helmholtz-Zentrum Berlin, cela a pu être observé en détail.

Seules quelques formes géométriques de base se prêtent à couvrir une surface sans chevauchement ni espace à l'aide de carreaux de forme uniforme :triangles, rectangles et hexagones. Des motifs réguliers considérablement plus nombreux et considérablement plus complexes sont possibles avec deux ou plusieurs formes de carreaux. Ce sont des pavages ou pavages d'Archimède.

Les matériaux peuvent également présenter des caractéristiques de carrelage. Ces structures sont souvent associées à des propriétés très particulières, par exemple une conductivité électrique inhabituelle, réflectivité spéciale de la lumière ou résistance mécanique extrême. Mais, produire de tels matériaux est difficile. Il nécessite de gros blocs de construction moléculaires qui ne sont pas compatibles avec les procédés de fabrication traditionnels.

Tessellations complexes grâce à l'auto-organisation

Une équipe internationale dirigée par les Professeurs Florian Klappenberger et Johannes Barth à la Chaire de Physique Expérimentale de TUM, ainsi que le professeur Mario Ruben du Karlsruhe Institute of Technology, ont maintenant fait une percée dans une classe de réseaux supramoléculaires :ils ont réussi à combiner des molécules organiques en des blocs de construction plus grands avec un pavage complexe formé de manière auto-organisée.

Comme composé de départ, ils ont utilisé de l'éthynyliodophénanthrène, une molécule organique facile à manipuler comprenant trois cycles carbonés couplés avec une extrémité iode et alcyne. Sur un substrat d'argent, cette molécule forme un réseau régulier avec de grandes mailles hexagonales.

Le traitement thermique met alors en mouvement une série de processus chimiques, produire un roman, bloc de construction nettement plus grand qui forme alors une couche complexe avec de petits hexagones, pores rectangulaires et triangulaires pratiquement automatiquement et auto-organisés. Dans le langage de la géométrie, ce motif est appelé pavage semi-régulier 3.4.6.4.

Économie de l'atome grâce au recyclage des sous-produits

« Les mesures de microscopie à tunnel à balayage que nous avons effectuées à TUM montrent clairement que la réorganisation moléculaire implique de nombreuses réactions qui entraîneraient normalement de nombreux sous-produits. Dans ce cas, cependant, les sous-produits sont recyclés, ce qui signifie que le processus global fonctionne avec une grande économie d'atomes - près de cent pour cent de récupération - pour arriver au produit final souhaité, " explique le Pr Klappenberger.

Les chercheurs ont découvert précisément comment cela se produit dans d'autres expériences. "À l'aide de mesures de spectroscopie aux rayons X à l'anneau de stockage d'électrons BESSY II du Helmholtz-Zentrum Berlin, nous avons pu déchiffrer comment l'iode se sépare du produit de départ, les atomes d'hydrogène se déplacent vers de nouvelles positions et les groupes alcynes capturent l'atome d'argent, " explique l'auteur principal Yi-Qi Zhang.

Par l'atome d'argent, deux blocs de construction de départ se lient à un nouveau, bloc de construction plus grand. Ces nouveaux blocs de construction forment alors la structure poreuse complexe observée.

« Nous avons découvert une toute nouvelle approche pour produire des matériaux complexes à partir de simples blocs de construction organiques, " résume Klappenberger. "Ceci est important pour la capacité de synthétiser des matériaux avec des caractéristiques nouvelles et extrêmes spécifiques. Ces résultats contribuent également à mieux comprendre l'apparition spontanée (émergence) de la complexité dans les systèmes chimiques et biologiques."

L'étude est publiée dans Chimie de la nature .