Des matériaux tels que l'arséniure de gallium sont extrêmement importants pour la production de dispositifs électroniques. Comme les approvisionnements sont limités, ou ils peuvent présenter des risques pour la santé et l'environnement, les spécialistes recherchent des matériaux alternatifs. Les polymères dits conjugués sont des candidats. Ces macromolécules organiques ont des propriétés semi-conductrices, c'est-à-dire qu'ils peuvent conduire l'électricité dans certaines conditions. Une façon possible de les produire dans le bidimensionnel souhaité, c'est-à-dire extrêmement plat - la forme est présentée par la chimie de surface, un domaine de recherche créé en 2007.

Depuis, de nombreuses réactions ont été développées et des matériaux intéressants produits pour des applications possibles. La plupart des réactions sont basées sur la formation de liaisons carbone-carbone. Une équipe composée de divers groupes de travail des départements de chimie et de physique de l'Université de Münster (Allemagne) a maintenant utilisé la formation de liaisons silicium-silicium pour construire un polymère, une première en chimie de surface.

Précédemment, un obstacle avait été la liaison des atomes de silicium. Construire ainsi des polymères en utilisant la chimie de synthèse traditionnelle, c'est-à-dire dans une solution, c'est compliqué. Le fait qu'ils soient aujourd'hui les premiers à avoir réussi à produire un polymère de silicium est ce que les chercheurs de Münster doivent aux possibilités offertes par la chimie de surface. L'astuce était la suivante :la liaison des atomes s'effectue sur une surface métallique extrêmement lisse, sur laquelle les molécules sont déposées en phase vapeur. Cela produit des couches de matériau très minces. Si le carbone habituel est remplacé par du silicium, des polymères longs peuvent être obtenus, même dans des conditions de réaction douces. A partir de polymères de silicium, les chercheurs espèrent des propriétés de matériaux innovantes et nouvelles, candidats prometteurs pour des applications potentielles. Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue Chimie de la nature .

Méthodologie

Une équipe de chimistes dirigée par le professeur Armido Studer a produit des molécules constituées de groupes silyles connectés au moyen d'un lien organique. Les physiciens de l'équipe dirigée par le professeur Harald Fuchs ont étudié leur réactivité sur des surfaces métalliques (or ou cuivre). Ils ont démontré que la réaction des liaisons silicium-hydrogène au sein des groupes silyle se produisait à température ambiante, alors qu'un couplage similaire de liaisons carbone-carbone nécessite normalement des températures supérieures à 300 degrés Celsius. A l'étape suivante, les chercheurs ont clarifié la structure exacte des liens formés :deux atomes d'hydrogène sont retirés de chaque atome de silicium afin de créer les structures d'ordre supérieur. Des analyses plus détaillées ont montré en outre une liaison des atomes de silicium à la surface métallique.

Comme la structure du polymère final n'a pas pu être complètement clarifiée en utilisant la microscopie à balayage tunnel (STM), une équipe dirigée par le chimiste Prof. Johannes Neugebauer a utilisé des méthodes chimiques computationnelles à cette fin et a simulé les images STM de divers produits potentiels. Pour fournir un soutien supplémentaire dans la caractérisation du produit, une équipe dirigée par le physicien Dr Harry Mönig a utilisé une méthode spécifiquement conçue pour ces problèmes basée sur la microscopie à force atomique. Cette méthode a permis non seulement de représenter l'ensemble du produit, mais aussi pour localiser les atomes d'hydrogène avec une résolution considérablement augmentée. L'équipe de Johannes Neugebauer a également réussi à développer un modèle mécaniste et à simuler les étapes de réaction nécessaires pour former le produit trouvé.

Contributions sous différents angles

"Les propriétés des polymères pourraient être examinées dans de futures études en ce qui concerne leur conductivité électrique, " dit le chimiste Dr Henning Klaasen. " De plus, la conception moléculaire pourrait être variée afin d'adapter les propriétés pour une application des matériaux en tant que semi-conducteurs organiques. » Et Lacheng Liu, un doctorat étudiant en physique, ajoute, "En outre, cette méthode pourrait être utilisée pour développer une toute nouvelle stratégie pour les changements moléculaires de la fonctionnalisation des surfaces et des nanoparticules."

À l'avenir, l'équipe prévoit d'étudier plus en détail la chimie de surface de nouveaux groupes fonctionnels contenant du silicium et vise également à introduire d'autres groupes fonctionnels. "Nous avons montré que non seulement le carbone peut être utilisé pour créer des structures fascinantes. Les diverses contributions apportées sous différents angles - par les chimistes et les physiciens, par des personnes ayant une approche théorique, par d'autres avec une approche pratique—toutes ont exigé un haut degré de créativité. Cela nous a permis d'explorer une nouvelle voie dans les réactions de formation de liaisons en chimie de surface, " a déclaré Mélanie Wittler, un doctorat étudiant en chimie.