Une équipe internationale de chercheurs du Donostia International Physics Center, Institut Fritz-Haber de la Société Max Planck, Université de Liverpool, et l'Académie polonaise des sciences a montré une nouvelle façon de faire fonctionner un commutateur à molécule unique en appliquant une force externe.

Le travail expérimental et théorique combiné, publié cette semaine dans Chimie de la nature , ouvre une capacité unique pour étudier l'activation mécanique et le traitement au niveau d'une seule molécule, réactions élémentaires impliquées dans de nombreuses fonctions biologiques importantes et cruciales dans les dispositifs moléculaires.

La force nécessaire pour activer un interrupteur d'éclairage sur un mur est faible. Mais quelle force devez-vous appliquer si l'appareil était à l'échelle nanométrique ? |C'est-à-dire de combien de force avez-vous besoin pour faire fonctionner un "commutateur à molécule unique ?" Cette question fondamentale est liée non seulement à la science fondamentale mais aussi aux applications futures potentielles des dispositifs moléculaires.

Chercheurs du Centre international de physique de Donostia, Saint-Sébastien (Pays Basque, Espagne), Institut Fritz-Haber de la Société Max Planck, Berlin, Allemagne), Université de Liverpool, (Royaume-Uni) et l'Académie polonaise des sciences, Varsovie (Pologne) a réussi à activer de manière contrôlée un "interrupteur à molécule unique" par la force de l'aiguille atomiquement tranchante d'un microscope à sonde à balayage de pointe.

L'étude expérimentale et théorique, rapporté aujourd'hui dans la prestigieuse revue Chimie de la nature , démontre qu'un transfert intramoléculaire d'atomes d'hydrogène peut être déclenché dans une molécule organique appropriée adsorbée sur une surface en rapprochant suffisamment la pointe métallique pointue. La réaction, appelé tautomérisation, est important en chimie organique et biologie moléculaire et aussi un phénomène intéressant pour les dispositifs électroniques moléculaires.

Les chercheurs ont pu non seulement quantifier la force nécessaire pour actionner leur minuscule interrupteur, une molécule de porphycène sur une surface de cuivre, mais révèlent également que la commutation ne peut être induite qu'à des positions très spécifiques de la pointe sur la molécule, avec une résolution spatiale d'une fraction de longueur de liaison chimique, à savoir environ 0,00000002 millimètre. Par ailleurs, ils ont démontré l'importance de la "réactivité chimique" de l'apex de la pointe dans le processus induit par la force, car la molécule ne peut pas être commutée lorsque l'apex de l'aiguille est décoré par un seul atome de xénon - un élément inerte qui n'a pas la réactivité chimique requise.

Takashi Kumagai au FHI-MPG, qui a conçu cette étude, construit la configuration expérimentale dans laquelle une aiguille oscillante d'une force atomique combinée et d'un microscope à effet tunnel est approchée à quelques distances atomiques de la molécule. La commutation est apparue comme une caractéristique des décalages de fréquence à l'approche de la pointe et a également été confirmée par des changements au niveau des images à l'échelle atomique en balayant simultanément la pointe sur la molécule. Il a été mesuré que la force requise était d'environ un nano-Newton, ce qui est un peu moins que la force nécessaire pour rompre une liaison covalente typique entre deux atomes.

L'équipe de recherche a également effectué des simulations informatiques approfondies afin d'élucider le mécanisme atomistique derrière la commutation induite par la force. Les simulations ont reproduit avec succès les résultats expérimentaux et ont fourni une description atomistique du fonctionnement du commutateur à molécule unique. Thomas Frederiksen, Ikerbasque Research Professor au Donostia International Physics Center (DIPC) - UPV/EHU explique que "nos calculs ont révélé que la tautomérisation, c'est la commutation, se produit par une réduction de sa barrière d'activation énergétique à l'approche d'une pointe métallique. Cependant, le comportement change radicalement avec une pointe à terminaison xénon et aucune tautomérisation n'a pu être induite en raison de son inertie et de sa douceur."

Les chercheurs soulignent que la réaction induite par la force étudiée impliquant des changements dans la voie de réaction ressemble à une étape élémentaire des processus catalytiques. Par conséquent, leurs résultats fournissent également une nouvelle stratégie pour acquérir un aperçu atomistique plus approfondi des réactions catalytiques, conduisant à une nouvelle maîtrise de la chimie au niveau atomique.