En utilisant la source de rayons X ultrabrillante PETRA III de DESY, les chercheurs ont observé en temps réel comment les molécules de carbone en forme de ballon de football s'organisent en couches ultra-lisses. Avec des simulations théoriques, l'enquête révèle pour la première fois en détail les fondamentaux de ce processus de croissance, comme le rapporte l'équipe autour de Sebastian Bommel (DESY et Humboldt Universität zu Berlin) et Nicola Kleppmann (Technische Universität Berlin) dans la revue scientifique Communication Nature . Ces connaissances permettront à terme aux scientifiques d'adapter des nanostructures à partir de ces molécules de carbone pour certaines applications, qui jouent un rôle croissant dans le domaine prometteur de l'électronique plastique. L'équipe était composée de scientifiques de la Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin, Universität Tübingen et DESY.

Les scientifiques ont étudié les buckyballs. Les Buckyballs sont des molécules sphériques, qui se composent de 60 atomes de carbone (C 60 ). Parce qu'ils rappellent les dômes géodésiques de l'architecte américain Richard Buckminster Fuller, ils ont été baptisés buckminsterfullerenes ou "buckyballs" pour faire court. Avec leur structure de pentagones et d'hexagones alternés, ils ressemblent aussi à de minuscules ballons de football moléculaires.

En utilisant la source de rayons X PETRA III de DESY, les chercheurs ont observé comment les buckyballs se déposent sur un substrat à partir d'une vapeur moléculaire. En réalité, une couche après l'autre, les molécules de carbone se développent principalement dans les îles d'une seule molécule de haut et forment à peine des structures en forme de tour. " explique le chercheur de DESY Bommel, qui termine son doctorat dans le groupe du professeur Stefan Kowarik à la Humboldt Universität zu Berlin. C'est ainsi que se forment des couches extrêmement lisses.

"Pour vraiment observer le processus de croissance en temps réel, nous avions besoin de mesurer les surfaces au niveau moléculaire plus rapidement qu'une seule couche ne se développe, qui se déroule en une minute environ, " déclare le co-auteur Dr Stephan Roth, chef de la station de mesure P03, où les expériences ont été menées. « Les examens aux rayons X sont bien adaptés, car ils peuvent retracer le processus de croissance en détail."

"Afin de comprendre l'évolution de la morphologie de surface au niveau moléculaire, nous avons effectué des simulations approfondies dans un système hors équilibre. Ceux-ci décrivent l'ensemble du processus de croissance des molécules C60 dans une structure en treillis, " explique Kleppmann, Doctorant dans le groupe du Pr Sabine Klapp à l'Institut de Physique Théorique, Technische Universität Berlin. "Nos résultats fournissent des informations fondamentales sur les processus de croissance moléculaire d'un système qui forme un lien important entre le monde des atomes et celui des colloïdes."

Par la combinaison d'observations expérimentales et de simulations théoriques, les scientifiques ont déterminé pour la première fois simultanément trois paramètres énergétiques majeurs pour un tel système :l'énergie de liaison entre les molécules du football, la soi-disant « barrière de diffusion, " qu'une molécule doit surmonter si elle veut se déplacer à la surface, et la barrière Ehrlich-Schwoebel, qu'une molécule doit surmonter si elle atterrit sur une île et veut descendre de cette île.

"Avec ces valeurs, nous comprenons maintenant vraiment pour la première fois comment de telles nanostructures naissent, " souligne Bommel. " En utilisant cette connaissance, il est concevable que ces structures puissent être cultivées de manière sélective à l'avenir :comment dois-je modifier mes paramètres de température et de vitesse de dépôt pour qu'une île d'une taille particulière se développe. Cela pourrait, par exemple, être intéressant pour les cellules solaires organiques, qui contiennent du C60. » Les chercheurs ont l'intention d'explorer la croissance d'autres systèmes moléculaires à l'avenir en utilisant les mêmes méthodes.