La microscopie électronique à transmission à champ sombre annulaire à angle élevé peut être utilisée pour déterminer les structures conformationnelles complexes des molécules de coordination non planes polynucléaires cristallines et amorphes, comme l'ont montré des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech). En utilisant l'iridium comme métal traceur, ils ont réussi à déterminer les différentes conformations d'une molécule de composé de coordination hautement ramifiée. Cela a ouvert des possibilités pour l'imagerie et la conception de molécules inorganiques et organiques complexes.

Les composés de coordination ont des structures moléculaires constituées d'un ou de plusieurs atomes métalliques au centre, entouré d'atomes non métalliques. Leurs fascinantes propriétés physiques et chimiques, qui ont des applications importantes en science des matériaux, dépendent en grande partie de leur structure moléculaire. Ainsi, une analyse définitive de leur structure moléculaire est nécessaire, non seulement pour comprendre leurs propriétés, mais aussi pour concevoir des composés de coordination spécifiques avec des fonctions ciblées.

Bien que plusieurs méthodes analytiques soient disponibles pour la détermination structurelle des composés de coordination, ils ont chacun leurs propres limites. Par exemple, La cristallographie aux rayons X ne peut déterminer que la structure des composés cristallins, tandis que la résonance magnétique nucléaire ne peut pas fournir de résultats précis lorsque des atomes paramagnétiques sont impliqués. Une technique de microscopie plus récente, microscopie électronique à transmission à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF-STEM), qui a révolutionné le domaine de l'imagerie moléculaire avec la visualisation en temps réel de molécules de coordination uniques, se limite également à l'observation de molécules simples et planes. D'où, la détermination structurelle de diverses conformations (toutes les orientations spatiales possibles des atomes) des molécules de coordination polynucléaires cristallines et amorphes reste inexplorée.

Pour combler ce fossé, une équipe de chercheurs du Tokyo Institute of Technology, dirigé par le professeur Kimihisa Yamamoto et le professeur agrégé Takane Imaoka, ont développé une nouvelle méthode d'imagerie utilisant un traceur d'atomes de métal dans HAADF-STEM pour déterminer les structures conformationnelles de composés de coordination polynucléaires complexes et hautement ramifiés. Leurs conclusions sont publiées dans Avancées scientifiques . Expliquer la nouvelle méthode, Le professeur Imaoka déclare que « en utilisant l'iridium comme traceur de métal, car son numéro atomique élevé (Z=77) offrira une meilleure visualisation avec HAADF-STEM, nous avons synthétisé des composés de phénylazométhine dendritique (DPA) fixés à l'iridium. Puis, nous avons déterminé les conditions opératoires optimales pour HAADF-STEM, sous lequel les différentes conformations de ces composés DPA hautement ramifiés pourraient être déterminées avec la plus grande précision. »

Pour déterminer les conditions de fonctionnement optimales pour HAADF-STEM, les chercheurs ont observé des échantillons de composé iridium-DPA, dispersé à la surface de la nanopoudre de graphène, dans diverses conditions de fonctionnement. Ils ont découvert que la réduction du courant de faisceau à 7 pA et le temps d'exposition par pixel à 8 microsecondes et l'utilisation d'un faible grossissement aidaient à réduire les dommages causés au composé iridium-DPA et permettaient d'observer avec succès sa structure. Les atomes d'iridium apparaissent sous forme de points lumineux dans les images HAADF-STEM, indiquant leur position dans la structure de la molécule.

Une fois l'image HAADF-STEM de la molécule d'iridium-DPA obtenue dans les conditions optimales, les chercheurs l'ont comparé à des images simulées de toutes les conformations possibles de la molécule pour trouver la correspondance la plus proche. Les structures capturées dans les images expérimentales HAADF-STEM correspondent extrêmement bien aux structures conformationnelles simulées. Ainsi, l'orientation conformationnelle la plus précise d'une molécule peut être facilement déterminée en comparant HAADF-STEM et des images simulées.

Les applications potentielles de cette technologie HAADF-STEM guidée par les métaux lourds ne se limitent pas seulement aux composés de coordination d'analyse structurelle. Mettre en avant les futurs travaux, Le professeur Imaoka remarque, "Notre étude est un effort pionnier dans l'imagerie des structures conformationnelles de macromolécules complexes. Comme cette technologie est efficace pour les composés cristallins et amorphes, nous pensons que cette technologie peut également être appliquée pour la détermination des structures de peptides multinucléaires par complexation avec des atomes de métaux traceurs, et les travaux dans ce domaine sont déjà en cours."