Presque aussi clairement qu'un diagramme de manuel, cette image réalisée par un microscope à force atomique sans contact révèle les positions des atomes individuels et des liaisons, dans une molécule ayant 26 atomes de carbone et 14 atomes d'hydrogène structurée en trois cycles benzéniques connectés. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory et Université de Californie à Berkeley
Lorsque Felix Fischer du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie a entrepris de développer des nanostructures en graphène à l'aide d'un nouveau approche contrôlée des réactions chimiques, le premier résultat fut une surprise :des images spectaculaires d'atomes de carbone individuels et des liaisons entre eux.
"Nous ne pensions pas faire de belles images, les réactions elles-mêmes étaient le but, " dit Fischer, membre du personnel scientifique de la division des sciences des matériaux (MSD) du Berkeley Lab et professeur de chimie à l'Université de Californie, Berkeley. "Mais pour vraiment voir ce qui se passait au niveau d'un seul atome, nous avons dû utiliser un microscope à force atomique particulièrement sensible dans le laboratoire de Michael Crommie." Crommie est un scientifique MSD et professeur de physique à l'UC Berkeley.
Ce que le microscope a montré aux chercheurs, dit Fischer, "était incroyable." Les résultats spécifiques de la réaction étaient eux-mêmes inattendus, mais la preuve visuelle l'était encore plus. "Personne n'a jamais pris directement, images résolues par liaison simple de molécules individuelles, juste avant et immédiatement après une réaction organique complexe, " dit Fischer.
Les chercheurs rapportent leurs résultats le 7 juin Édition 2013 de la revue Science , disponible à l'avance sur Science Express .
Nanostructures de graphène de bas en haut
Des nanostructures de graphène peuvent former les transistors, des portes logiques, et d'autres éléments d'appareils électroniques extrêmement petits, mais pour devenir pratiques, ils devront être produits en série avec une précision atomique. Ça passe ou ça casse, techniques descendantes, comme le graphite exfoliant ou le dézippage des nanotubes de carbone, ne peut pas faire le travail.
Fischer et ses collègues ont entrepris de concevoir des nanostructures de graphène de bas en haut, en transformant des chaînes linéaires d'atomes de carbone en feuillets hexagonaux étendus (hydrocarbures polyaromatiques), en utilisant une réaction découverte à l'origine par le professeur de l'UC Berkeley, Robert Bergman. La première exigence était d'effectuer les réactions dans des conditions contrôlées.
La molécule de réactif d'origine, reposant sur une surface argentée plate, est imagé à la fois avant et après la réaction, qui se produit lorsque la température dépasse 90 degrés Celsius. Les deux produits finaux les plus courants de la réaction sont indiqués. Les barres d'échelle de trois angströms (un angström est un dix-milliardième de mètre) indiquent que les molécules de réactif et de produit mesurent environ un milliardième de mètre de diamètre. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory et Université de Californie à Berkeley
"En solution, plus d'une douzaine de composés pourraient être les produits de la réaction que nous utilisions, et caractériser les résultats serait difficile, " dit Fischer. " Au lieu d'une solution 3D, nous avons créé un système 2D. Nous mettons notre molécule de départ" - une structure appelée oligo-ènediyne, composé de trois cycles benzéniques liés par des atomes de carbone - "sur une surface d'argent, puis induit des réactions en le chauffant."
Le groupe de Fischer a collaboré avec l'expert en microscopie Crommie pour concevoir la meilleure vue possible. La première tentative pour suivre les réactions a utilisé un microscope à effet tunnel (STM), qui détecte les états électroniques lorsqu'il est amené à quelques milliardièmes de mètre (nanomètres) de la surface de l'échantillon. Mais la résolution de l'image de la minuscule molécule et de ses produits – chacun d'environ un nanomètre de diamètre seulement – n'était pas assez bonne pour identifier de manière fiable les structures moléculaires.
Les collaborateurs se sont alors tournés vers une technique appelée microscopie à force atomique sans contact (nc-AFM), qui sonde la surface avec une pointe acérée. La pointe est déviée mécaniquement par des forces électroniques très proches de l'échantillon, se déplaçant comme une aiguille de phonographe dans une rainure.
"Une molécule de monoxyde de carbone adsorbée sur la pointe de l'"aiguille" AFM laisse un seul atome d'oxygène comme sonde, " Fischer explique. " Déplacer ce 'doigt atomique' d'avant en arrière sur la surface argentée, c'est comme lire le braille, comme si nous ressentions les petites bosses à l'échelle atomique faites par les atomes. » Fischer note que l'imagerie AFM haute résolution a été réalisée pour la première fois par le groupe de Gerhard Meyer à IBM Zurich, "mais ici nous l'utilisons pour comprendre les résultats d'une réaction chimique fondamentale."
La pointe à un seul atome du microscope à force atomique sans contact « sent » des changements dans la force des forces électroniques lorsqu'elle se déplace sur la surface à une hauteur constante. Les mouvements résultants du stylet sont détectés par un faisceau laser pour calculer des images. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory et Université de Californie à Berkeley
Le doigt mobile à un seul atome du nc-AFM pouvait sentir non seulement les atomes individuels, mais aussi les forces représentant les liaisons formées par les électrons partagés entre eux. Les images résultantes ressemblaient de façon saisissante à des diagrammes tirés d'un manuel ou au tableau, utilisé pour enseigner la chimie, sauf qu'ici aucune imagination n'est requise.
Dit Fischer, "Ce que vous voyez est ce que vous avez - les effets des forces électroniques parmi les atomes, et même l'ordre de caution. Vous pouvez distinguer simple, double, et des triples liaisons."
Une liaison chimique n'est pas un concept aussi simple qu'il y paraît, toutefois. Parmi les dizaines de possibilités, la réaction de la molécule de départ n'a pas donné ce qui avait intuitivement semblé à Fischer et à ses collègues les produits les plus probables. Au lieu, la réaction a produit deux molécules différentes. La surface argentée plate avait rendu la réaction visible mais l'avait également façonnée de manière inattendue.
La microscopie nc-AFM a fourni une confirmation visuelle frappante des mécanismes qui sous-tendent ces réactions chimiques organiques synthétiques, et les résultats inattendus ont renforcé la promesse de cette nouvelle méthode puissante pour construire des dispositifs électroniques nanométriques avancés de bas en haut.
Avant que des nanostructures graphitiques beaucoup plus complexes puissent résulter de cette approche unique, dit Fischer, "De grandes découvertes nous attendent."
