(Phys.org) — Les scientifiques de l'Université Rice ont découvert qu'ils pouvaient contrôler les liaisons entre les atomes d'une molécule.

La molécule en question est le carbone-60, également connu sous le buckminsterfullerene et le buckyball, découvert à Rice en 1985. Les scientifiques dirigés par les physiciens de Rice Yajing Li et Douglas Natelson ont découvert qu'il est possible d'adoucir les liaisons entre les atomes en appliquant une tension et en faisant passer un courant électrique à travers une seule boule bucky.

Les chercheurs ont détaillé leur découverte cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Cela ne signifie pas que nous allons pouvoir choisir arbitrairement la résistance des matériaux ou quelque chose comme ça, " a déclaré Natelson. " C'est un cas très spécifique, et même ici, c'était une surprise de voir cela se produire.

"Mais en général, si nous pouvons manipuler la distribution de charge sur les molécules, nous pouvons affecter leurs vibrations. Nous pouvons commencer à penser, à l'avenir, pour mieux contrôler les choses."

L'effet apparaît lorsqu'un buckyball se fixe à une surface en or dans la nano-antenne optique utilisée pour mesurer les effets d'un courant électrique sur les liaisons intermoléculaires grâce à une technique appelée spectroscopie Raman.

Le groupe de Natelson a construit la nano-antenne il y a quelques années pour piéger un petit nombre de molécules dans un espace nanométrique entre les électrodes d'or. Une fois les molécules en place, les chercheurs peuvent les refroidir, les chauffer, les faire exploser avec l'énergie d'un laser ou d'un courant électrique et mesurer l'effet par spectroscopie, qui recueille des informations à partir des fréquences de lumière émises par l'objet d'intérêt.

Avec un raffinement continu, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient analyser les vibrations moléculaires et les liaisons entre les atomes de la molécule. Cette capacité a conduit à cette expérience, dit Natelson.

Natelson a comparé les fréquences vibratoires caractéristiques présentées par les liaisons à la façon dont une corde de guitare vibre à une fréquence spécifique en fonction de la force avec laquelle elle est enroulée. Desserrez la corde et la vibration diminue et le ton baisse.

La nano-antenne est capable de détecter le "ton" des vibrations désaccordées entre les atomes grâce à la spectroscopie Raman à surface améliorée (SERS), une technique qui améliore les lectures des molécules lorsqu'elles sont attachées à une surface métallique. L'isolement d'un buckyball dans l'espace entre les électrodes en or permet aux chercheurs de suivre les vibrations à travers la réponse optique vue via SERS.

Lorsqu'un buckyball s'attache à une surface dorée, ses liaisons internes subissent un changement subtil lorsque les électrons à la jonction se réorganisent pour trouver leurs états énergétiques les plus bas. L'expérience de Rice a révélé que les vibrations de toutes les liaisons diminuaient très légèrement en fréquence pour compenser.

"Pensez à ces molécules comme des boules et des ressorts, " a déclaré Natelson. " Les atomes sont les boules et les liaisons qui les maintiennent ensemble sont les ressorts. Si j'ai une collection de balles et de ressorts et que je la claque, il montrerait certains modes vibrationnels.

"Lorsque nous poussons le courant à travers la molécule, nous voyons ces vibrations s'allumer et commencer à trembler, " a dit Natelson. " Mais nous avons trouvé, étonnamment, que les vibrations dans les buckyballs deviennent plus douces, et d'un montant important. C'est comme si les ressorts devenaient plus souples à haute tension dans ce système particulier. il a dit.

Les chercheurs ont utilisé une combinaison d'expérimentation et de calculs théoriques sophistiqués pour réfuter un soupçon précoce selon lequel l'effet Stark vibratoire bien connu était responsable du changement. L'effet Stark est observé lorsque les réponses spectrales des molécules se déplacent sous l'influence d'un champ électrique. La Fonderie Moléculaire, une installation du Département de l'utilisation de l'énergie au Lawrence Berkeley National Laboratory, collaboré à la composante calculs.

Le groupe de Natelson avait observé des effets similaires sur les molécules d'oligophénylène vinylène utilisées dans des expériences précédentes, incitant également les expériences de buckyball. "Il y a quelques années, nous avons vu des indices d'énergies vibratoires se déplacer, mais rien d'aussi propre ou de systématique. Il semble que le C-60 soit assez spécial en termes d'endroit où il se trouve énergétiquement, " il a dit.

La découverte des buckyballs, qui a valu un prix Nobel à deux professeurs Rice, a lancé la révolution des nanotechnologies. "Ils ont été très bien étudiés et ils sont très stables chimiquement, " Natelson a dit des molécules en forme de ballon de football. "Nous savons comment les mettre sur des surfaces, ce que vous pouvez leur faire et qu'ils soient toujours intacts. Tout cela est bien compris. » Il a noté que d'autres chercheurs étudient des effets similaires grâce à la manipulation moléculaire du graphène, la forme monocouche atomique du carbone.

"Je ne veux pas prétendre que nous avons une méthode générale pour régler la liaison moléculaire dans tout, " a déclaré Natelson. " Mais si vous voulez que la chimie se produise en un seul endroit, peut-être que vous voulez rendre ce lien vraiment faible, ou au moins le rendre plus faible qu'il ne l'était.

"Certains membres de la communauté de la chimie recherchent depuis longtemps un objectif de contrôler avec précision où et quand les liens se rompent. Ils aimeraient spécifiquement piloter certains liens, assurez-vous que certains liens s'excitent, assurez-vous que certains cassent. Nous offrons des façons de penser à le faire. »