L'identification de nouvelles liaisons chimiques est cruciale pour la conception de nouvelles structures matérielles. Une équipe dirigée par Jani Kotakoski à l'Université de Vienne et Jannik Meyer à l'Université de Tübingen a découvert de nouvelles configurations inattendues d'oxygène et d'azote dans le graphène. Des images directes des atomes réels et l'analyse des résultats ont été publiées dans la célèbre revue Communication Nature .

La vie telle que nous la connaissons est basée sur une poignée de différents types d'atomes (appelés éléments), parmi eux le carbone, l'azote et l'oxygène. Ce qui permet la complexité de la vie, c'est la capacité des atomes à se connecter les uns aux autres via des liaisons chimiques pour former des structures plus grandes. Connaître les structures de liaison possibles permet aux scientifiques à la fois de comprendre les éléments constitutifs de la vie et de concevoir des structures complètement nouvelles.

Chaque type d'atome peut faire un nombre caractéristique de liaisons en fonction du nombre d'électrons disponibles. Par conséquent, les manuels de chimie disent que le carbone peut avoir jusqu'à quatre liaisons, azote jusqu'à trois, et l'oxygène seulement un ou deux. Maintenant, une équipe dirigée par Jani Kotakoski à l'Université de Vienne et Jannik Meyer à l'Université de Tübingen (anciennement Université de Vienne), a étudié la liaison d'un grand nombre d'atomes d'azote et d'oxygène en utilisant la microscopie électronique à transmission à balayage de pointe. Cela a été rendu possible en incorporant les atomes dans le matériau de carbone d'un atome d'épaisseur, graphène.

Les atomes d'azote et d'oxygène se lient à leurs voisins dans une grande variété de configurations. Pour la plupart, l'étude a confirmé l'image du manuel, qui pouvait maintenant être affiché avec des images directes d'atomes réels :les atomes d'azote étaient liés à deux ou trois atomes de carbone, tandis que la plupart des atomes d'oxygène avaient deux voisins carbonés. "Ce qui nous a vraiment surpris, cependant, était la présence supplémentaire de structures avec de l'oxygène lié à trois voisins carbonés, " dit Christoph Hofer, l'auteur principal de l'étude qui a récemment été publiée dans la célèbre revue Communication Nature . "Jusqu'à maintenant, l'exception de l'oxygène avec trois liaisons n'était connue que dans un état hautement chargé inhabituel, appelé oxonium, qui est difficile à stabiliser, " explique-t-il. Cela contraste avec l'étude actuelle, où les structures étaient remarquablement stables permettant leur imagerie au microscope. L'étude a également révélé une configuration "d'oxygène apparié" où deux atomes d'oxygène occupent des sites voisins dans le réseau de graphène mais ne créent pas de liaison. En plus de fournir de nouvelles perspectives sur les éléments constitutifs de la vie, ces nouvelles configurations de collage peuvent également conduire au développement de nouveaux matériaux.

Globalement, l'étude donne un aperçu complet des différentes configurations de liaison pour l'azote et l'oxygène, illustré directement par des images des atomes individuels. Alors que le concept de manuel de liaison pour le carbone, l'azote et l'oxygène ont été majoritairement confirmés, ces éléments communs peuvent évidemment encore réserver des surprises après des décennies d'étude.