L'observation de la structure de l'effondrement de noyaux atomiques instables à l'aide d'électrons est un objectif expérimental qui n'a été atteint nulle part dans le monde. Masanori Wakasugi, directeur du groupe de développement de l'instrumentation au RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (RNC), travaille sur cette question difficile.

Le modèle théorique actuel du noyau atomique a été construit avec des contributions majeures d'expériences de diffusion d'électrons, dans lequel des électrons entrent en collision avec des noyaux atomiques stables pour visualiser la structure nucléaire. Dans les années récentes, cependant, un large éventail d'expériences sur les propriétés des noyaux atomiques instables a révélé un certain nombre de phénomènes qui sont incompatibles avec le modèle actuel du noyau atomique.

Les expériences de diffusion radioisotope-électron dans lesquelles des électrons entrent en collision avec des noyaux instables sont indispensables pour établir le modèle ultime du noyau atomique, qui donnera une compréhension globale des noyaux stables et instables. Wakasugi et ses collègues adoptent des approches uniques pour réaliser cette première expérience mondiale.

Observer les réactions chimiques de molécules individuelles

« Quand j'étais au collège, J'ai appris la formule chimique de l'électrolyse de l'eau, ", dit Kim. Cette formule est H2O → H2 + 1/2O2. « J'ai demandé à mon professeur pourquoi nous devions multiplier l'O2 par la moitié. L'enseignant a répondu que l'oxygène est multiplié par la moitié parce que lorsque l'eau est électrolysée, l'hydrogène et l'oxygène sont produits dans la proportion de deux pour un. Cependant, Je pensais, Et si une seule molécule d'eau était électrolysée ? Cette question m'a incité à observer le processus d'une réaction chimique à l'échelle d'une seule molécule.

Kim a poursuivi ses études au Département de chimie de l'Université nationale de Séoul où il s'est spécialisé en électrochimie. « A cette époque, J'ai mené des expériences qui utilisaient un circuit électrique, comme dans l'électrolyse de l'eau, contrôler une réaction chimique dans une solution et examiner la réaction chimique à partir des produits de réaction. Cette approche, cependant, ne fournit pas d'informations sur la manière dont les molécules individuelles sont impliquées dans une réaction chimique. Nous ne pouvons que conjecturer.

Après avoir terminé son programme de maîtrise à l'Université nationale de Séoul, il a visité le Japon en 1996 et a commencé des recherches à l'Université de Tokyo sous la direction d'Akira Fujishima, aujourd'hui président de l'Université des sciences de Tokyo, qui était connu comme le «père du photocatalyseur». La photocatalyse est un processus par lequel des molécules peuvent être décomposées à la surface d'un matériau photoactif, comme l'oxyde de titane, lors de l'exposition à la lumière. « Au départ, j'avais prévu de faire une étude approfondie des photocatalyseurs. Cependant, Le professeur Fujishima m'a suggéré de faire plus de recherche fondamentale parce que j'avais une formation scientifique. J'ai donc décidé d'étudier les phénomènes physiques qui se produisent lorsque la surface d'une substance est exposée à la lumière.

Réaction d'une seule molécule

« Quand j'étais en troisième année de mon programme de doctorat, Je suis tombé sur un article très intrigant rapportant qu'un microscope à effet tunnel avait été utilisé avec succès pour observer la « vibration moléculaire » d'une seule molécule. J'ai tout de suite pensé que c'était ce que je voulais vraiment faire.

Un microscope à effet tunnel (STM) est une technique d'imagerie qui permet de cartographier la structure de surface microscopique d'une substance à des résolutions approchant l'échelle des atomes individuels. Mais ce n'est pas la seule fonction de STM; il peut également être utilisé pour identifier les types de molécules présentes sur la base de la vibration moléculaire.

À la STM, une tension est appliquée à une pointe de sonde très pointue qui est amenée très près d'une molécule sur une surface. Les électrons de la sonde circulent vers la molécule cible, produisant ce qu'on appelle un "courant tunnel", se référant à la façon dont les électrons semblent « tunnel » à travers la barrière d'énergie classique nécessaire pour qu'un tel courant circule. Ce courant induit une vibration moléculaire, provoquant le déplacement de tous les atomes individuels de la molécule cible de leurs positions d'équilibre. L'intensité de la vibration moléculaire correspondant à une tension donnée dépend du type de molécule ou des liaisons chimiques au sein de la molécule. Le type de molécule peut donc être identifié en observant la vibration moléculaire.

« Je cherchais un laboratoire de recherche où je pourrais utiliser STM au Japon lorsque le professeur Fujishima m'a présenté le laboratoire de chimie de surface du RIKEN, dirigé à l'époque par le scientifique en chef Maki Kawai, qui est maintenant directeur exécutif de RIKEN.

Après avoir rejoint le Laboratoire de Chimie des Surfaces en 1999, Kim a développé les technologies STM avec Tadahiro Komeda, chercheur en laboratoire et maintenant professeur à l'université de Tohoku. Là, Kim a observé des vibrations moléculaires pour identifier avec succès des molécules individuelles sur cette base. Il a également réussi à injecter des électrons dans un site spécifique d'une molécule, le transformant ainsi en une molécule différente.

"Nous avons retiré deux atomes d'hydrogène d'une molécule de trans-2-butène composée de quatre atomes de carbone et de huit atomes d'hydrogène pour produire un 1, Molécule de 3-butadiène constituée de quatre atomes de carbone et de six atomes d'hydrogène. Nous avons utilisé STM pour provoquer une réaction chimique comme prévu dans une seule molécule, observé les signaux vibratoires avant et après la réaction, et identifié le type de molécule avec succès pour la première fois.

Kim attribue le succès obtenu en provoquant la réaction chimique souhaitée aux travaux antérieurs du laboratoire en catalyse. « Nous avons placé une molécule à la surface du palladium, qui a servi de catalyseur à la réaction chimique. Le laboratoire de chimie de surface a commencé à l'origine comme un laboratoire de recherche sur les catalyseurs, et nous devons beaucoup à l'énorme accumulation de connaissances sur les molécules et les catalyseurs à la surface des substances.

Contrôler des molécules individuelles

Il restait encore un défi technique à relever dans l'observation des vibrations moléculaires par STM. « Lorsque des électrons sont injectés à partir d'une pointe de sonde STM dans une molécule, certaines molécules commencent à se déplacer avant que leurs vibrations moléculaires ne soient observées. Trouver un moyen efficace d'observer ces molécules instables était un gros problème pour nous.

Kim et ses collègues de laboratoire ont examiné quel niveau d'énergie des électrons fait bouger la molécule. « En conséquence, nous avons constaté que la molécule se déplace à un niveau d'énergie des électrons injectés égal à celui provoquant la vibration moléculaire la plus forte. » Sur la base de ces expériences, ils ont établi une méthode de mesure unique appelée « spectroscopie d'action ». « Cette méthode de mesure nous a permis d'identifier tous types de molécules, molécules stables et instables, et d'examiner leurs caractéristiques essentielles.

Lorsque des électrons sont injectés à partir d'une pointe de sonde STM dans une molécule, la molécule peut se déplacer dans plusieurs directions. "Nous ne pouvons pas contrôler la direction du mouvement d'une molécule, mais nous ne rencontrons ce problème que lorsque la pointe de la sonde STM est placée juste au-dessus de la molécule. Nous avons donc placé la pointe de la sonde STM obliquement vers le haut et utilisé la force électrostatique agissant entre la pointe de la sonde et la molécule. This approach also enabled us to control the direction of movement of the molecule successfully.”

Kim’s team has used this technique to draw letters by moving molecules. In the late 1980s, a paper was published describing an experiment in which the atoms forming a molecule were moved by STM to construct letters. In that experiment, the letters were created by drawing the atoms closer to the probe tip or by using the tip to shape the atoms. “We constructed our letters by moving the molecules themselves in the desired direction on a surface. This cannot be achieved without a complete understanding of the nature of molecules and the interaction between electrons and molecules.” In the future, this technique will be applied in the fabrication of computer circuits by arranging molecules.

Electrolyzing single water molecules

En 2009, Kim started the experiment that he first imagined when he was in junior high school—the experiment to electrolyze a single water molecule. “In electrolyzing a single water molecule, there are two possible reaction pathways, " dit-il. Those pathways are H2O → 2H + O, and H2O → H + OH. In the former reaction, the two hydrogen atoms are separated from the single oxygen atom, and can be achieved by injecting electrons with high energy. The difficulty is how to produce the other reaction pathway.

Electrons injected into a molecule from an STM tip cause the molecule to start vibrating in an excited state. If the duration of the excited state (vibrational lifetime) is long enough, the molecular vibration causes the bonds between the atoms to break down, which increases the probability of a chemical reaction occurring. “When a single water molecule is placed on the surface of a metal, the water molecule cannot be broken down because of its short vibrational lifetime. This is because the water molecule binds chemically to the metal surface, and the energy of the injected electrons is easily dissipated into the metal surface.”

Placing a water molecule on the surface of an insulator instead of a metal can increase the vibrational lifetime because no chemical reactions can occur and no electronic energy is absorbed. Cependant, a tunneling current cannot flow from the STM probe tip in this case because the water molecule is on an insulator. “To cope with this problem, we developed a metal surface coated with an ultrathin film of magnesium oxide just two atoms thick. A water molecule on this surface produces a small tunneling current in STM.”

Théoriquement, a water molecule can be electrolyzed when injected with an electron having an energy of 0.77 electronvolts or more. On the ultrathin MgO film, cependant, the water molecule broke down at just 0.45 electronvolts. “We attributed this to a multi-step excitation process in which the water molecule is excited by the first injected electron and then by the following injected electron while the water molecule is still in the vibrationally excited state, because the electron energy is slowly dissipated owing to the ultrathin insulating film surface and hence the vibrational lifetime is increased.”

The results of their experiments showed exactly what they were looking for. “Using this approach, we succeeded in separating a single hydrogen atom from a single water molecule, ” says Kim. These results confirmed the H2O → H + OH reaction pathway experimentally for the first time, and could lead to the development of technologies for producing hydrogen fuel with the minimum consumption of energy.

Practical applications of single-molecule experiments

En 2010, Kim started the Surface and Interface Science Laboratory at the RIKEN Advanced Science Institute. “We are working on new research into the interaction between light and substances. Many researchers have already investigated this subject. Cependant, there have been virtually no reports on experiments that examine the interaction between light and substances while observing individual molecules.”

Photocatalysts are a firm research target. “In Prof. Fujishima’s laboratory, I used to watch how he advanced his own research into photocatalysts around him. Cette fois, I intend to conduct research into the essence of photocatalysts in my own right based on the technology and experience I gained over the years at RIKEN.”

On a single-molecular scale, nobody knew the position on titanium oxide at which a photocatalytic reaction occurs. “It has been considered for years that the photocatalytic reaction occurs at positions where oxygen atoms are missing on the surface of titanium oxide because electrons concentrate at those positions. Our experiments with an STM probe tip clarified that photocatalytic reactions actually occur across wide electronically active areas around the positions where oxygen atoms are missing.”

The Surface and Interface Science Laboratory is also conducting research into organic solar cells. “What types of molecules are most effective and how should we arrange them to increase power generation efficiency? Many researchers from around the world have wanted to perform single-molecule experiments while observing individual molecules, but such experiments have been too difficult to handle. We have accumulated STM technology that I am confident will enable such experiments.”

Toward ‘sci-engineering’

“So far, I have focused on research into the essence of chemistry. In the future I also plan to start research that helps us link that knowledge to practical applications. This idea was triggered by a meeting with Dr Takanori Fukushima from the Energy Conversion Research Team. He specializes in organic synthesis and can synthesize any organic molecule. I always have a good time with him, talking about our dreams.”

Molecules and matter exhibit different characteristics on the nanometer or molecular scale compared with the macroscale behavior scientists are most familiar with. This is the reason for the widespread scientific interest in nanotechnology over the past ten years, and the origin of the expectations for a nanotechnology revolution.

“These expectations, cependant, are now on the point of fading because the findings to date have fallen short of society’s expectations. Although many theoretical papers have been published on what is actually going on in the nanometer world, only a few study have been reported because of the technical difficulty in directly observing the nature and functions of individual molecules. Many conventional application studies have been conducted without fully understanding the basic mechanisms of nanotechnology. I plan to make use of the STM to study the nature of individual molecules and open a new frontier in nanoscience that will allow us to explore the essence of the nanoworld.

“RIKEN launched systematic research into nanoscience before anywhere else in the world, ” Kim points out. “In 1993, Dr Kawai, now an Executive Director of RIKEN, started the Atomic Scale Sci-engineering Research and Promotion Group together with Chief Scientist Masakazu Aono, now a fellow at the National Institute for Materials Science, and Chief Scientist Katsunobu Aoyagi, who is now professor at Ritsumeikan University. ‘Sci-engineering’ is a term implying that research into the essence of a phenomenon should come first, and then engineering should follow from the results. I would like to follow the research concept of sci-engineering in the Surface and Interface Science Laboratory.