Un groupe de scientifiques de l'Université de Nagoya a développé une méthode simple et puissante pour construire des structures d'assemblage moléculaire parfaitement unidirectionnelles sur des graphènes, selon une étude publiée dans la revue Rapports scientifiques . Découvert par hasard lors d'autres recherches, la méthode repose sur un outil de laboratoire commun, microscopie à force atomique (AFM), pour contrôler l'alignement moléculaire.

Graphène, qui sont des feuilles en carbone, suscite un grand intérêt de la part de nombreux scientifiques en tant que candidat puissant pour la prochaine génération de matériaux électroniques en raison de leurs propriétés uniques. Le développement d'une méthode fiable permettant l'alignement parfait de molécules ou d'assemblages moléculaires sur une surface de graphène pourrait ouvrir la voie à l'optimisation des propriétés électriques du graphène, et améliorer les performances des appareils électroniques à base de graphène. Bien que largement étudiée ces dernières années, la croissance de nanostructures moléculaires bien alignées exclusivement le long d'une direction souhaitée est encore difficile. C'est parce que la surface du graphène a une symétrie triple, qui sont thermodynamiquement équivalents les uns aux autres, rendant ainsi difficile l'alignement des molécules dans une direction orientée.

Pour résoudre ce problème, une équipe dirigée par le Dr Yuhei Miyauchi et le professeur Kenichiro Itami du JST-ERATO Itami Molecular Nanocarbon Project et de l'Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), se sont concentrés sur les changements physiques induits par le balayage de la pointe AFM. AFM, une technique principalement utilisée pour l'analyse des surfaces, produit des images montrant les irrégularités de surface des échantillons en faisant glisser une pointe de sonde sur la surface. L'équipe soupçonne que le balayage de la pointe modifie les conditions thermodynamiques à la surface du graphène et affecte la direction de l'alignement moléculaire.

L'équipe a étudié comment le balayage de la pointe AFM entraîne des changements dans l'alignement moléculaire à la surface du graphène. Ils ont utilisé du dodécyl sulfate de sodium (SDS), une molécule de tensioactif commune, comme molécule modèle. Des études ont montré que le SDS forme des assemblages en forme de ruban sur la surface du graphène.

A l'aide d'une pompe à microseringue, la solution de SDS a été lentement injectée dans une multicouche de graphène dans une goutte d'eau. L'équipe a comparé la façon dont les molécules SDS adhéraient au graphène, un processus appelé adsorption (à ne pas confondre avec l'absorption), avec et sans balayage de pointe AFM.

Une image de hauteur AFM enregistrée 1 heure après l'injection de SDS a montré des irrégularités aléatoires sur la surface, ce qui indique une adsorption aléatoire des molécules de SDS sur la surface du graphène. Après 15 minutes de balayage AFM intense, la morphologie d'adsorption du SDS a radicalement changé et de nombreuses molécules en forme de ruban ont été observées. Ce phénomène a indiqué que la force et la direction du balayage de la pointe AFM affecte l'orientation des rubans SDS générés.

"Nous avons découvert ce phénomène par hasard alors que nous menions un autre projet de recherche, " dit le Dr Liu Hong, un chercheur postdoctoral qui a principalement mené les expérimentations. "Nous avons remarqué qu'en regardant les images de l'AFM, le ruban SDS a grandi dans la même direction orientée par le balayage de la pointe AFM."

"Nous voulions vraiment éclaircir ce phénomène surprenant, " dit Yuhei Miyauchi, un chef de groupe du projet JST-ERATO.

L'équipe a analysé la corrélation entre la direction de balayage de l'AFM et l'orientation du ruban observée. Ils ont découvert que les rubans SDS poussaient facilement lorsque l'angle relatif entre l'axe de croissance du ruban et la direction de balayage est plus grand. En outre, des calculs informatiques ont suggéré que les molécules SDS adsorbées sont en fait éliminées lorsqu'elles sont forcées de tourner dans les conditions de balayage AFM. Les molécules SDS adsorbées avec un angle relativement grand par rapport à la direction de balayage de la pointe AFM sont tournées et sont facilement retirées. Par conséquent, les molécules adsorbées avec de petits angles par rapport à la direction de balayage de la pointe de l'AFM agissent comme des noyaux et se développent pour devenir le ruban SDS.

Sur la base de leur compréhension, l'équipe a essayé de construire des assemblages moléculaires SDS parfaitement alignés sur du graphène.

"La partie la plus difficile de cette recherche était de savoir comment contrôler la croissance et la direction des rubans SDS avec précision, " dit Hong. " Une fois les rubans SDS cultivés, leurs orientations n'ont pas changé dans les conditions de balayage de l'AFM. Nous avons dû effectuer des scans AFM rapides juste après le moment même où les molécules SDS sont injectées dans l'eau à la surface du graphène. »

Dans des conditions de balayage AFM finement réglées, ils ont réussi à construire des assemblages moléculaires unidimensionnels individuels, qui sont alignés le long d'un axe de symétrie sélectionné du réseau de graphène.

"Dans l'analyse AFM, les effets mécaniques dynamiques sur l'échantillon par balayage de la pointe AFM ont été considérés comme défavorables, " dit le Dr Taishi Nishihara, un chercheur postdoctoral qui a réalisé les analyses statistiques et analysé le mécanisme de cette expérience. "Nos découvertes sur l'utilité cachée des effets induits par l'analyse de la pointe AFM peuvent également fournir des informations à d'autres chercheurs dans divers domaines connexes."

"La meilleure partie de cette recherche est que nous avons pu montrer que le balayage AFM peut induire l'effet de" rupture de symétrie "du motif moléculaire sur le graphène, " dit Hong. " Cela peut être très important pour la croissance de motifs moléculaires anisotropes sur des matériaux bidimensionnels (2-D), tels que les super réseaux, qui sont aujourd'hui incontournables dans la recherche académique et industrielle."

"Notre concept de rupture de la symétrie de surface peut être appliqué à diverses fins telles que la génération de circuits moléculaires en électronique moléculaire et le contrôle de la chimiotaxie cellulaire en bioscience, " dit Miyauchi.

"Nous espérons que notre découverte conduira à une percée distinctive non seulement en chimie mais dans des domaines connexes qui impliquent des nanostructures moléculaires et leur alignement, " dit Itami, le directeur du projet JST-ERATO et directeur du centre d'ITbM.