La découverte il y a 30 ans de molécules de carbone en forme de ballon de football appelées buckyballs a contribué à stimuler une explosion de la recherche en nanotechnologie. Maintenant, il semble y avoir une nouvelle balle sur le terrain.

Des chercheurs de l'Université Brown, L'Université du Shanxi et l'Université de Tsinghua en Chine ont montré qu'un amas de 40 atomes de bore forme une cage moléculaire creuse semblable à une buckyball en carbone. C'est la première preuve expérimentale qu'une structure en cage de bore - auparavant seulement une question de spéculation - existe bel et bien.

"C'est la première fois qu'une cage de bore est observée expérimentalement, " dit Lai-Sheng Wang, un professeur de chimie à Brown qui a dirigé l'équipe qui a fait la découverte. « En tant que chimiste, trouver de nouvelles molécules et structures est toujours passionnant. Le fait que le bore ait la capacité de former ce genre de structure est très intéressant."

Wang et ses collègues décrivent la molécule, qu'ils ont surnommé la borosphère, dans la revue Chimie de la nature .

Les buckyballs en carbone sont constitués de 60 atomes de carbone disposés en pentagones et hexagones pour former une sphère, comme un ballon de football. Leur découverte en 1985 fut bientôt suivie par la découverte d'autres structures creuses en carbone, notamment des nanotubes de carbone. Un autre nanomatériau de carbone célèbre, une feuille d'un atome d'épaisseur appelée graphène, a suivi peu de temps après.

Après les buckyballs, les scientifiques se sont demandé si d'autres éléments pouvaient former ces étranges structures creuses. Un candidat était le bore, voisin du carbone sur le tableau périodique. Mais parce que le bore a un électron de moins que le carbone, il ne peut pas former la même structure de 60 atomes trouvée dans le buckyball. Les électrons manquants provoqueraient l'effondrement de l'amas sur lui-même. Si une cage de bore existait, il devrait avoir un nombre différent d'atomes.

Wang et son groupe de recherche étudient la chimie du bore depuis des années. Dans un article publié plus tôt cette année, Wang et ses collègues ont montré que des amas de 36 atomes de bore forment des disques d'un atome d'épaisseur, qui pourraient être cousus ensemble pour former un analogue au graphène, appelé borophène. Les travaux préliminaires de Wang suggéraient qu'il y avait aussi quelque chose de spécial dans les amas de bore avec 40 atomes. Ils semblaient anormalement stables par rapport aux autres amas de bore. Comprendre à quoi ressemble réellement cet amas de 40 atomes a nécessité une combinaison de travaux expérimentaux et de modélisation à l'aide de supercalculateurs de grande puissance.

Sur l'ordinateur, Les collègues de Wang ont modélisé plus de 10, 000 arrangements possibles de 40 atomes de bore liés les uns aux autres. Les simulations informatiques estiment non seulement les formes des structures, mais aussi estimer l'énergie de liaison des électrons pour chaque structure, une mesure de la force avec laquelle une molécule retient ses électrons. Le spectre des énergies de liaison sert d'empreinte unique de chaque structure potentielle.

L'étape suivante consiste à tester les énergies de liaison réelles des amas de bore en laboratoire pour voir si elles correspondent à l'une des structures théoriques générées par l'ordinateur. Pour faire ça, Wang et ses collègues ont utilisé une technique appelée spectroscopie photoélectronique.

Des morceaux de bore en vrac sont zappés avec un laser pour créer de la vapeur d'atomes de bore. Un jet d'hélium gèle ensuite la vapeur en de minuscules amas d'atomes. Les amas de 40 atomes ont été isolés au poids puis zappés avec un second laser, qui fait sortir un électron de l'amas. L'électron éjecté vole dans un long tube que Wang appelle son « circuit d'électrons ». La vitesse à laquelle les électrons volent sur l'hippodrome est utilisée pour déterminer le spectre d'énergie de liaison des électrons de l'amas, son empreinte structurelle.

Les expériences ont montré que les clusters de 40 atomes forment deux structures avec des spectres de liaison distincts. Ces spectres se sont avérés être une correspondance parfaite avec les spectres de deux structures générés par les modèles informatiques. L'une était une molécule semi-plate et l'autre était la cage sphérique en forme de buckyball.

"L'observation expérimentale d'un spectre de liaison qui correspondait à nos modèles était d'une importance primordiale, " a déclaré Wang. " L'expérience nous donne ces signatures très spécifiques, et ces signatures correspondent à nos modèles."

La molécule de borosphèrene n'est pas aussi sphérique que sa cousine carbonée. Plutôt qu'une série de cycles à cinq et six chaînons formés de carbone, borospherene se compose de 48 triangles, quatre anneaux à sept côtés et deux anneaux à six chaînons. Plusieurs atomes se détachent un peu des autres, rendant la surface du borospherene un peu moins lisse qu'un buckyball.

Quant aux utilisations possibles du borosphèrene, c'est un peu trop tôt pour le dire, dit Wang. Une possibilité, fait-il remarquer, pourrait être le stockage d'hydrogène. En raison de la carence en électrons du bore, le borosphèrene se lierait probablement bien à l'hydrogène. Ainsi, de minuscules cages en bore pourraient servir de refuges pour les molécules d'hydrogène.

Mais pour l'instant, Wang apprécie la découverte.

"Pour nous, juste pour être le premier à l'avoir observé, c'est une grosse affaire, " a déclaré Wang. " Bien sûr, si cela s'avère utile, ce serait formidable, mais on ne sait pas encore. Espérons que cette découverte initiale stimulera davantage l'intérêt pour les clusters de bore et de nouvelles idées pour les synthétiser en grandes quantités."