Pour leurs expériences, les scientifiques d'IBM ont utilisé leur microscope à effet tunnel combiné (STM) et leur microscope à force atomique (AFM) de fabrication artisanale. Dans cette micrographie à faisceau d'ions focalisé, la pointe attachée à un diapason est visible. Le diapason mesure quelques millimètres de longueur. La petite pointe ne mesure qu'un seul atome ou molécule à son sommet.
(PhysOrg.com) -- Les scientifiques d'IBM ont pu mesurer pour la première fois la répartition de la charge au sein d'une seule molécule. Cette réalisation permettra des connaissances scientifiques fondamentales sur la commutation de molécules uniques et la formation de liaisons entre les atomes et les molécules. Par ailleurs, il introduit la possibilité d'imager la distribution des charges au sein des structures moléculaires fonctionnelles, qui sont très prometteurs pour de futures applications telles que la photoconversion solaire, stockage d'Energie, ou des dispositifs informatiques à l'échelle moléculaire.
Comme indiqué dans le journal Nature Nanotechnologie , scientifiques Fabian Mohn, Léo Gross, Nikolaj Moll et Gerhard Meyer d'IBM Research – Zurich ont directement imagé la distribution de charge au sein d'une seule molécule de naphtalocyanine à l'aide d'un type spécial de microscopie à force atomique appelée microscopie à force de sonde Kelvin à basse température et sous ultravide.
Alors que la microscopie à effet tunnel (STM) peut être utilisée pour l'imagerie des orbitales électroniques d'une molécule, et la microscopie à force atomique (AFM) peut être utilisée pour résoudre sa structure moléculaire, jusqu'à présent, il n'a pas été possible d'imager la distribution des charges au sein d'une seule molécule.
"Ce travail démontre une nouvelle capacité importante de pouvoir mesurer directement comment la charge s'organise au sein d'une molécule individuelle", déclare Michael Crommie, Professeur de physique de la matière condensée à l'Université de Berkeley. « Comprendre ce type de distribution de charge est essentiel pour comprendre comment les molécules fonctionnent dans différents environnements. Je m'attends à ce que cette technique ait un impact futur particulièrement important sur les nombreux domaines où la physique, chimie, et la biologie se croisent.
En réalité, la nouvelle technique avec STM et AFM fournit des informations complémentaires sur la molécule, montrant différentes propriétés intéressantes. Cela rappelle les techniques d'imagerie médicale telles que les rayons X, IRM, ou échographie, qui fournissent des informations complémentaires sur l'anatomie et l'état de santé d'une personne.
« La technique fournit un autre canal d'information qui permettra d'approfondir notre compréhension de la physique à l'échelle nanométrique. Il sera désormais possible d'étudier au niveau d'une molécule unique comment la charge est redistribuée lorsque des liaisons chimiques individuelles se forment entre les atomes et les molécules sur les surfaces. Ceci est essentiel alors que nous cherchons à construire des dispositifs à l'échelle atomique et moléculaire, ” explique Fabian Mohn du groupe Physique des systèmes à l'échelle nanométrique d'IBM Research – Zurich.
Schéma du principe de mesure. A chaque position de pointe, le décalage de fréquence est enregistré en fonction de la tension de polarisation de l'échantillon (en médaillon, cercles rouges). Le maximum de la parabole ajustée (encart, ligne noire continue) donne le signal KPFM V* pour cette position. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'IBM Research - Zurich
La technique pourrait par exemple être utilisée pour étudier la séparation de charges et le transport de charges dans des complexes dits de transfert de charges. Celles-ci sont constituées de deux ou plusieurs molécules et font l'objet d'une intense activité de recherche car elles sont très prometteuses pour des applications telles que le stockage d'énergie ou le photovoltaïque.
Gerhard Meyer, un scientifique senior d'IBM qui dirige les activités de recherche STM et AFM à IBM Research - Zurich ajoute :"Le présent travail marque une étape importante dans notre effort à long terme sur le contrôle et l'exploration des systèmes moléculaires à l'échelle atomique avec la microscopie à sonde à balayage." travail remarquable sur le terrain, Meyer a récemment reçu une bourse avancée du Conseil européen de la recherche. Ces bourses prestigieuses soutiennent « les meilleurs chercheurs travaillant aux frontières de la connaissance » en Europe.*
Regarder de plus près
Pour mesurer la distribution des charges, Les scientifiques d'IBM ont utilisé une progéniture de l'AFM appelée Kelvin probe force microscopy (KPFM).
Images de microscopie à force de sonde Kelvin de la commutation de tautomérisation de la naphtalocyanine. C'est la première fois que la répartition des charges au sein d'une seule molécule peut être résolue. Lorsqu'une pointe de sonde de balayage est placée au-dessus d'un échantillon conducteur, un champ électrique est généré en raison des différents potentiels électriques de la pointe et de l'échantillon. Avec KPFM, cette différence de potentiel peut être mesurée en appliquant une tension telle que le champ électrique est compensé. Par conséquent, KPFM ne mesure pas directement la charge électrique dans la molécule, mais plutôt le champ électrique généré par cette charge. Le champ est plus fort au-dessus des zones de la molécule qui sont chargées, conduisant à un signal KPFM plus important. Par ailleurs, les zones de charge opposée produisent un contraste différent car la direction du champ électrique est inversée. Cela conduit aux zones claires et sombres de la micrographie. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'IBM Research - Zurich
Lorsqu'une pointe de sonde de balayage est placée au-dessus d'un échantillon conducteur, un champ électrique est généré en raison des différents potentiels électriques de la pointe et de l'échantillon. Avec KPFM, cette différence de potentiel peut être mesurée en appliquant une tension telle que le champ électrique est compensé. Par conséquent, KPFM ne mesure pas directement la charge électrique dans la molécule, mais plutôt le champ électrique généré par cette charge. Le champ est plus fort au-dessus des zones de la molécule qui sont chargées, conduisant à un signal KPFM plus important. Par ailleurs, les zones de charge opposée produisent un contraste différent car la direction du champ électrique est inversée. Cela conduit aux zones claires et sombres de la micrographie (ou aux zones rouges et bleues dans les couleurs).
Asymétrie dans les images de microscopie à force de sonde Kelvin de la commutation de tautomérisation de la naphtalocyanine. C'est la première fois que la répartition des charges au sein d'une seule molécule peut être résolue. Lorsqu'une pointe de sonde de balayage est placée au-dessus d'un échantillon conducteur, un champ électrique est généré en raison des différents potentiels électriques de la pointe et de l'échantillon. Avec KPFM, cette différence de potentiel peut être mesurée en appliquant une tension telle que le champ électrique est compensé. Par conséquent, KPFM ne mesure pas directement la charge électrique dans la molécule, mais plutôt le champ électrique généré par cette charge. Le champ est plus fort au-dessus des zones de la molécule qui sont chargées, conduisant à un signal KPFM plus important. Par ailleurs, les zones de charge opposée produisent un contraste différent car la direction du champ électrique est inversée. Cela conduit aux zones rouges et bleues de la micrographie. Image reproduite avec l'aimable autorisation d'IBM Research - Zurich
Naphtalocyanine, une molécule organique symétrique en forme de croix qui a également été utilisée dans le commutateur logique à molécule unique d'IBM**, s'est avéré être un candidat idéal pour cette étude. Il présente deux atomes d'hydrogène opposés au centre d'une molécule mesurant seulement deux nanomètres. Les atomes d'hydrogène peuvent être commutés de manière contrôlable entre deux configurations différentes en appliquant une impulsion de tension. Cette soi-disant tautomérisation affecte la répartition des charges dans la molécule, qui se redistribue entre les jambes opposées des molécules lorsque les atomes d'hydrogène changent d'emplacement.
En utilisant KPFM, les scientifiques ont réussi à imager les différentes distributions de charge pour les deux états. Pour obtenir une résolution submoléculaire, un degré élevé de stabilité thermique et mécanique et de précision atomique de l'instrument était requis au cours de l'expérience, qui a duré plusieurs jours. De plus, l'ajout d'une seule molécule de monoxyde de carbone au sommet de la pointe a considérablement amélioré la résolution. En 2009, l'équipe a déjà montré que cette modification de la pointe leur permettait de résoudre "l'anatomie" - les structures chimiques - des molécules avec l'AFM. Les présents résultats expérimentaux ont été corroborés par les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité du premier principe effectués par Fabian Mohn en collaboration avec Nikolaj Moll du groupe Computational Sciences à IBM Research - Zurich.
Repousser les frontières de la nanoscience avec des techniques de sonde à balayage
« Avec l'émergence de la microscopie à sonde à balayage et des techniques connexes dans les années 1980, la porte du nanomonde était grande ouverte, ” a déclaré l'article d'introduction dans la première édition de Nature Nanotechnology en 2006***.
La STM et sa progéniture l'AFM sont les deux chevaux de bataille de la recherche à l'échelle atomique et moléculaire. La STM, qui a été inventé par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer chez IBM Research – Zurich en 1981, a permis aux scientifiques pour la première fois d'imager des atomes individuels sur une surface. Le microscope révolutionnaire, pour lequel les deux scientifiques ont reçu le prix Nobel de physique 1986, a repoussé les limites de nos connaissances en révélant les propriétés des surfaces et des molécules ou atomes adsorbés sur celles-ci avec une résolution atomique.
La STM, cependant, n'est pas un microscope traditionnel. Plutôt que de montrer une image directe, il utilise une pointe très pointue - n'ayant qu'un seul ou quelques atomes à son sommet - pour balayer la surface d'un matériau. En rapprochant la pointe de la surface de l'échantillon et en appliquant une tension de polarisation, un flux de courant peut être mesuré entre la pointe et l'échantillon en raison de l'effet mécanique quantique de l'effet tunnel électronique. Maintenir ce courant tunnel constant et enregistrer le mouvement vertical de la pointe à travers la surface permet d'étudier la structure de la surface, atome par atome. Voir la vidéo de démonstration
Le STM peut même être utilisé pour manipuler des atomes et des molécules individuels. En 1989, Le scientifique d'IBM Don Eigler dans une expérience célèbre a utilisé son STM à basse température nouvellement développé pour positionner 35 atomes de xénon pour épeler "IBM". Voir la vidéo de démonstration
En 1985, l'AFM a été inventé par Gerd Binnig. Plutôt que de mesurer un courant tunnel, l'AFM utilise une pointe acérée attachée à un porte-à-faux pour mesurer les forces minuscules entre la pointe et l'échantillon afin de créer une image. Voir la vidéo de démonstration
Au fur et à mesure de l'évolution de la STM et de l'AFM, leurs capacités et celles des techniques de sonde à balayage associées ont considérablement amélioré les capacités des scientifiques à explorer une grande variété de structures et de propriétés à l'échelle atomique. Ils offrent un potentiel incroyable pour le prototypage de structures fonctionnelles complexes et pour l'adaptation et l'étude de leurs propriétés électroniques et chimiques à l'échelle atomique, qui sera essentiel pour créer de nouveaux dispositifs et systèmes à l'échelle nanométrique qui surpasseront ceux qui existent aujourd'hui dans les technologies de l'information, Médicament, technologies environnementales, l'industrie de l'énergie et au-delà.
