Des physiciens de l'Université de Bath ont découvert comment manipuler et contrôler des molécules individuelles pendant un millionième de milliardième de seconde, après avoir été intrigué par des résultats apparemment étranges.

Leur nouvelle technique est le moyen le plus sensible de contrôler une réaction chimique à certaines des plus petites échelles que les scientifiques puissent travailler, au niveau d'une seule molécule. Il ouvrira des possibilités de recherche dans les domaines des nanosciences et de la nanophysique.

Une expérience à la limite extrême de la nanoscience appelée "manipulation moléculaire STM (microscope à effet tunnel)" est souvent utilisée pour observer comment des molécules individuelles réagissent lorsqu'elles sont excitées en ajoutant un seul électron.

Un chimiste traditionnel peut utiliser un tube à essai et un bec Bunsen pour provoquer une réaction; ici, ils ont utilisé un microscope et son courant électrique pour conduire la réaction. Le courant est si faible qu'il s'apparente davantage à une série d'électrons individuels frappant la molécule cible. Mais toute cette expérience est un processus passif :une fois l'électron ajouté à la molécule, les chercheurs n'observent que ce qui se passe.

Mais lorsque le Dr Kristina Rusimova a examiné ses données du laboratoire pendant ses vacances, elle a découvert des résultats anormaux dans une expérience standard, qui sur une enquête plus approfondie n'a pas pu être expliqué. Lorsque le courant électrique est augmenté, les réactions vont toujours plus vite, sauf qu'ici ce n'est pas le cas.

Le Dr Rusimova et ses collègues ont passé des mois à réfléchir à des explications possibles pour démystifier l'effet, et répéter les expériences, mais ont finalement réalisé qu'ils avaient trouvé un moyen de contrôler les expériences sur une seule molécule à un degré sans précédent, dans une nouvelle recherche publiée dans Science .

L'équipe a découvert qu'en gardant la pointe de leur microscope extrêmement proche de la molécule étudiée, dans un rayon de 600 à 800 trillionièmes de mètre, la durée pendant laquelle l'électron reste collé à la molécule cible peut être réduite de plus de deux ordres de grandeur, et donc la réaction qui en résulte, ici entraînant des molécules de toluène individuelles à décoller (désorber) d'une surface de silicium, peut être contrôlé.

L'équipe pense que c'est parce que la pointe et la molécule interagissent pour créer un nouvel état quantique, qui offre un nouveau canal pour l'électron à partir de la molécule, réduisant ainsi le temps que l'électron passe sur la molécule et réduisant ainsi les chances que cet électron provoque une réaction.

À son niveau le plus sensible, cela signifie que le temps de la réaction peut être contrôlé pour sa limite naturelle à 10 femtosecondes jusqu'à seulement 0,1 femtoseconde.

Le Dr Rusimova a déclaré :« Il s'agissait des données d'une expérience tout à fait standard que nous faisions parce que nous pensions avoir épuisé toutes les choses intéressantes – ce n'était qu'une vérification finale. haut et le mien est descendu. "

Dr Peter Sloan, auteur principal de l'étude, a ajouté : « Si cela était correct, nous avons eu un effet complètement nouveau, mais nous savions que si nous allions revendiquer quelque chose d'aussi frappant, nous devions faire un peu de travail pour nous assurer que c'est réel et non pas de faux positifs."

"Je pense toujours que notre microscope est un peu comme le Faucon Millenium, pas trop élégant, tenue ensemble par les gens qui la dirigent, mais tout à fait fantastique à ce qu'il fait. Entre Kristina et Ph.D. l'étudiante Rebecca Purkiss, le niveau de contrôle spatial qu'ils avaient sur le microscope a été la clé pour débloquer cette nouvelle physique."

Le Dr Sloan a ajouté :« L'objectif fondamental de ce travail est de développer les outils pour nous permettre de contrôler la matière à cette limite extrême. ou produire des architectures moléculaires thermodynamiquement interdites. Nos travaux offrent une nouvelle voie pour contrôler les molécules individuelles et leur réaction. Essentiellement, nous avons un nouveau cadran que nous pouvons définir lors de l'exécution de notre expérience. La nature extrême du travail à ces échelles rend difficile à faire, mais nous avons une résolution et une reproductibilité extrêmes avec cette technique."

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'il offre pour la première fois.