Des chercheurs de l'Institut de chimie organique et de biochimie du CAS (IOCB Prague) et des collaborateurs institutionnels ont démontré pour la première fois un effet piézoélectrique à molécule unique. L'étude, publié dans le Journal de l'American Chemical Society , représente une percée dans la compréhension du comportement électromécanique des molécules individuelles et fournit un nouveau concept de conception de moteurs moléculaires, capteurs et générateurs d'électricité à l'échelle nanométrique.

L'effet piézoélectrique apparaît dans certains matériaux dans lesquels les propriétés mécaniques et électriques sont couplées. Soit le champ électrique peut être généré si une contrainte mécanique est appliquée (effet piézoélectrique direct) soit, inversement, la déformation mécanique peut survenir si le champ électrique est appliqué (effet piézoélectrique inverse).

Ces effets ont de nombreuses applications pratiques dans l'automobile, téléphone intelligent, ordinateur, industries médicales et militaires. L'effet piézoélectrique est utilisé dans les smartphones, micros, briquets, systèmes d'airbags, sonars et microscopes à balayage. Cependant, l'effet piézoélectrique monomolécule, ce qui est essentiel pour les futurs dispositifs moléculaires électromécaniques, est resté jusqu'à présent insaisissable.

« En étroite collaboration avec des physiciens, il a été prouvé pour la première fois qu'un fort effet piézoélectrique inverse peut être observé au niveau des molécules individuelles du dérivé heptahélicène, qui est une molécule de carbone en forme de vis ressemblant à un ressort, " dit Ivo Starý, le chef du groupe de chimistes de l'IOCB Prague préparant le composé.

L'effet a été démontré expérimentalement par le groupe de physiciens de l'IP CAS sur des molécules individuelles sur une surface d'argent en utilisant la microscopie à sonde à balayage. Le chef de groupe Pavel Jelínek dit, "L'amplitude de la constante piézoélectrique calculée à partir des données expérimentales est significativement plus élevée que celle des polymères piézoélectriques connus et est comparable aux amplitudes mesurées sur certains matériaux inorganiques tels que l'oxyde de zinc. De plus, nous avons expliqué l'origine de l'effet piézoélectrique d'une seule molécule en employant des calculs de mécanique quantique."

Comment fonctionne l'effet piézoélectrique inverse à l'échelle nanométrique ? La molécule en forme de vis dotée d'un dipôle interne s'étire ou se serre en fonction de la force et de la polarité du champ électrique externe. Il se produit en appliquant une polarisation de tension entre le tampon d'argent et la pointe atomiquement pointue du microscope à balayage qui réside sur la molécule étudiée. Comme le changement de hauteur de molécule peut être surveillé avec une précision ultime, il est possible de voir une déformation de molécule induite par le champ électrique. Un tel couplage du mouvement mécanique d'une molécule et du changement de champ électrique, ce qui est réciproque en théorie, représente une entrée dans le monde des molécules faisant un travail mécanique, ainsi que des nanogénérateurs moléculaires d'énergie électrique.