Les monocouches organiques auto-assemblées (SAM) existent depuis plus de quarante ans. La forme la plus utilisée est à base de thiols, lié à une surface métallique. Cependant, bien que les SAM thiols soient très polyvalents, ils sont également chimiquement instables. L'exposition de ces monocouches à l'air entraînera une oxydation et une décomposition en une seule journée. Des scientifiques de l'Université de Groningue ont maintenant créé des SAM en utilisant des buckyballs fonctionnalisés avec des « queues » d'éthylène glycol. Ces molécules produisent des monocouches auto-assemblées qui ont toutes les propriétés des SAM thiols mais restent chimiquement inchangées pendant plusieurs semaines lorsqu'elles sont exposées à l'air. Cette robustesse les rend beaucoup plus faciles à utiliser dans la recherche et dans les appareils. Un article sur ces nouveaux SAM a été publié dans Matériaux naturels le 30 janvier.

Les monocouches auto-assemblées sont des structures dynamiques, explique Ryan Chiechi, professeur agrégé de chimie des matériaux organiques et des dispositifs à l'Université de Groningue :« Ces monocouches s'auto-réparent et les molécules trouveront continuellement l'emballage le plus efficace. De plus, tous les processus sont réversibles, et il est possible de changer leur composition. » Cela distingue les SAM des autres monocouches qui sont utilisées pour fonctionnaliser les surfaces. « Celles-ci sont souvent très stables, mais ils ne s'auto-assemblent pas et n'ont pas la dynamique des SAM."

Tunneling quantique

Les SAM basées sur la liaison de thiols (groupes soufrés) au métal sont largement étudiées et utilisées. Les applications des SAM vont du contrôle du mouillage ou de l'adhérence aux surfaces, créer une résistance chimique en lithographie, à la production de capteurs ou à la nanofabrication. Les monocouches peuvent également être utilisées pour produire de l'électronique moléculaire. Chiechi déclare, "Le courant électrique traversera une telle monocouche par effet tunnel quantique. Et de petites modifications de la couche moléculaire peuvent altérer les propriétés de l'effet tunnel. Grâce à une telle adaptation chimique, il est possible de créer de nouveaux types d'électronique."

Cependant, les SAM à base de thiol les plus largement utilisées sont sensibles à l'oxydation lorsqu'elles sont exposées à l'air. Sans protection, ils ne dureront pas un seul jour. "Cela signifie que vous avez besoin de toutes sortes d'équipements pour empêcher l'air de pénétrer lorsque vous travaillez avec ces SAM pour l'électronique moléculaire, " explique Chiechi. " Cela rend également difficile leur utilisation dans un contexte biologique. "

Buckyballs fonctionnalisés

C'est là qu'interviennent les nouveaux SAM basés sur le buckyball. Dans un effort commun, des scientifiques du Stratingh Institute for Chemistry et du Zernike Institute for Advanced Materials de l'Université de Groningue ont découvert et caractérisé les propriétés des fullerènes fonctionnalisés par l'éther de glycol. Les buckyballs adhèrent aux surfaces métalliques encore plus fort que les thiols. Les queues glycol-éther sont polaires et dans des solvants organiques, cela induit la formation d'une bicouche. "Vous mettez simplement le métal dans une solution de ces buckyballs fonctionnalisés et la bicouche se formera par auto-assemblage, " dit Chiechi. De plus, Les SAM ainsi préparées sont très résistantes à l'oxydation :laissées exposées à l'air, ils resteront intacts pendant au moins 30 jours.

"Nos résultats suggèrent fortement que les queues des molécules sont entrelacées. Cela se traduit par une structure stable et très dynamique où les molécules sont libres de se déplacer, ce qui est typique pour un SAM, " says Chiechi. The outer layer can be replaced by adding other functionalized groups. Chiechi and his colleagues added spiropyrans (molecules that will change shape when exposed to UV light) connected to a glycol-ether tail. By placing an electrode on the outer layer, tunneling through the SAM was measured. The scientists showed that changing the shape of the spiropyran moiety with light also changed the conductance by several orders of magnitude.

Molecular electronics

There are other alternatives for thiol-based SAMs but they all have limitations. "We believe that our SAMs have all the properties of thiol-based SAMs, with resistance to degradation by air as a large bonus, " concludes Chiechi. "Furthermore, we have shown that our system can be used to create molecular electronics." And it also appears to be a very useful platform for studying the behavior of SAMs. "You can do this on your lab bench without any need for protection." Chiechi thinks that his system might be useful for studying the behavior of bilayers, including the lipid bilayers that form cell membranes.

The ability to change the composition of the SAMs opens up interesting applications in molecular electronics. Chiechi:"This might be used to create a topological computer architecture, for neuromorphic computing." Changes in the composition of the SAM could produce a memristor and possibly a system for stochastic computing, which uses the probabilities of 1s and 0s to represent numbers in a bitstream. "This could be represented by the fraction of one type of molecule in the SAM." Before this can become a reality, cependant, more work will have to be done, par exemple, to understand why the glycol-ether phase is such an efficient tunneling medium.