Matériaux hautes performances pour le stockage de gaz, les isolants thermiques ou les nanomachines nécessitent une compréhension approfondie du comportement du matériau jusqu'au niveau moléculaire. Thermodynamique, qui ont été développés il y a deux cents ans pour augmenter l'efficacité des machines à vapeur, observe généralement et fait la moyenne sur un grand nombre de molécules. Maintenant, une équipe de scientifiques a développé une méthodologie, pour étudier la thermodynamique d'équilibre de molécules individuelles.

A la recherche de matériaux hautes performances pour des applications telles que le stockage de gaz, isolants thermiques ou nanosystèmes dynamiques, il est essentiel de comprendre le comportement thermique de la matière jusqu'au niveau moléculaire. La thermodynamique classique moyenne dans le temps et sur un grand nombre de molécules. Dans un espace tridimensionnel, des molécules simples peuvent adopter un nombre presque infini d'états, rendant l'évaluation des espèces individuelles presque impossible.

Aujourd'hui, des chercheurs de la Technische Universität München (TUM) et de l'Université de Linköping (LIU) ont développé une méthodologie, qui permet d'explorer la thermodynamique d'équilibre de molécules individuelles avec une résolution atomique à des températures appréciables. L'étude révolutionnaire repose sur deux piliers :une technologie qui permet de mettre en cage des molécules dans des nanopores bidimensionnels et une modélisation informatique approfondie.

Pris au piège dans deux dimensions

À la chaire de nanoscience moléculaire et de physique chimique des interfaces à la TU München, dirigé par le Prof. Dr. Johannes V. Barth, PD Dr. Florian Klappenberger a développé la méthode pour produire des réseaux organo-métalliques de haute qualité sur une surface argentée. Le réseau forme des nanopores qui restreignent la liberté de mouvement des molécules individuelles adsorbées en deux dimensions. En utilisant la microscopie à effet tunnel, les chercheurs ont pu suivre leurs mouvements à différentes températures avec une résolution inférieure au nanomètre.

Parallèlement aux expérimentations, les chercheurs ont travaillé avec des modèles informatiques sophistiqués pour décrire la dépendance à la température de la dynamique de ces molécules piégées uniques. "Nous avons appliqué des calculs de superordinateur de pointe pour comprendre les interactions et le paysage énergétique déterminant le mouvement des molécules", dit Jonas Björk de l'Université de Linköping.

En comparant les données expérimentales et modélisées, les scientifiques ont découvert que, dans certaines conditions, la théorie intégrale se rapproche d'une simple projection des positions moléculaires dans l'espace. Cette approche est au cœur de la mécanique statistique, mais n'a jamais été mis au défi de reproduire une expérience, en raison des positions moléculaires et des énergies pratiquement infinies qu'il fallait considérer sans le confinement à l'échelle nanométrique.

Analogie à la biologie

"C'était extrêmement excitant d'utiliser des réseaux bidimensionnels comme stratégie de confinement pour réduire l'espace conformationnel disponible d'une seule molécule, comme un chaperon le fait avec une protéine", dit le Dr Carlos-Andres Palma, l'auteur principal de l'étude. « Par analogie avec la biologie, une telle forme de technologie de confinement a le potentiel d'établir des capteurs, des nanomachines et éventuellement des logiques contrôlées et constituées de distributions moléculaires."

Appliquant leur connaissance des configurations d'équilibre caractéristiques, les chercheurs ont soigneusement modulé le nanopore, faisant ainsi écrire à une seule molécule des lettres de l'alphabet telles que L, moi et toi, juste en ajustant la température.