Des chercheurs de l'Université de Bonn ont mis au point une structure moléculaire qui peut recouvrir les surfaces de graphite d'une mer de minuscules "mâts de drapeau". Les propriétés de ce revêtement sont très variables. Il peut fournir une base pour le développement de nouveaux catalyseurs. Les composés pourraient également convenir pour mesurer les propriétés nanomécaniques des protéines. Les résultats ont été publiés en ligne au préalable dans la revue Angewandte Chemie . Maintenant, l'édition imprimée a été publiée, qui montre une partie de la mer de drapeaux comme image de couverture.

Le bloc de construction de base du revêtement de surface est un grand anneau moléculaire. Il est stabilisé à l'intérieur par des rayons et présente donc une certaine ressemblance avec une étoile Mercedes. De plus, l'anneau a trois petits bras qui pointent vers l'extérieur. Chacun d'eux peut saisir le bras d'un autre anneau. Cela permet aux molécules de se rassembler pour former un énorme tissu en forme de feuille sans aucune intervention extérieure. Pour cela, il suffit de tremper un morceau de graphite (qui est le matériau dont sont faites les mines de crayon, par exemple) dans une solution de ces anneaux. Comme par magie, ceux-ci recouvrent alors la surface du graphite avec une structure en forme de filet en peu de temps.

La taille des mailles du filet peut être ajustée avec précision en modifiant la longueur des bras. Le véritable point fort du revêtement réside cependant dans une autre option de modification :« Nous pouvons attacher de minuscules pôles de différentes longueurs au centre des anneaux », explique le professeur Sigurd Höger de l'Institut de chimie organique et de biochimie de Kekulé à l'Université. Université de Bonn. Il a dirigé l'étude avec le Dr Stefan-Sven Jester (également de l'Institut Kekulé) et le professeur Dr Stefan Grimme du Mulliken Center for Theoretical Chemistry. "Nous pouvons alors à notre tour leur attacher d'autres molécules, comme des drapeaux à un mât."

Une mer miniature de drapeaux

Les distances entre les pôles sont si grandes que même des molécules très volumineuses peuvent être attachées à leurs pointes sans se gêner. Ils sont alors maintenus en place par les mâts d'une part, mais en même temps sont libres de se déplacer comme un drapeau dans le vent. De plus, ils sont facilement accessibles aux substances présentes dans la solution et peuvent réagir avec elles. "Cela pourrait permettre de créer de nouveaux catalyseurs", spécule Höger. "Potentiellement, cela permettra des réactions chimiques qui étaient auparavant irréalisables ou seulement possibles avec beaucoup d'efforts."

Toutes les molécules peuvent en principe être attachées aux pointes des mâts. A l'avenir, cela devrait également permettre, par exemple, de mesurer les propriétés nanomécaniques des protéines. Pour ce faire, la molécule de protéine serait maintenue par le mât du drapeau puis séparée avec une sorte de "bras de préhension". "Les protéines sont constituées de longs filaments, mais la plupart d'entre eux sont pliés en sphère compacte, ce qui leur donne leur forme caractéristique", explique Höger. "Les forces à l'œuvre dans la formation de ces derniers pourraient être déterminées avec plus de précision par de telles expériences."

Dans le laboratoire du Dr Jester, les molécules produites par Höger et ses collaborateurs ont été déposées sur du graphite et examinées au microscope à effet tunnel. De plus, les motifs de surface des molécules drapeaux ont également été simulés sur ordinateur. "Cela nous a permis de montrer que les molécules s'arrangent et se comportent exactement comme prévu par nos concepts et la théorie", explique Jester, qui, comme Höger et Grimme, est membre du domaine de recherche transdisciplinaire "Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions" (TRA Matter) à l'Université de Bonn.

La simulation de la dynamique de molécules aussi grandes et complexes nécessite d'énormes ressources informatiques. Ces dernières années, le groupe de recherche du professeur Grimme a développé des méthodes sophistiquées qui rendent néanmoins cela possible. "Nous pouvons utiliser ces méthodes, par exemple, pour faire la distinction entre les molécules attachées de manière flexible et rigide dans la simulation et pour prédire leur comportement", explique Grimme.

Entre autres molécules, l'équipe de Bonn a attaché une structure semblable à un ballon de football aux mâts de drapeau, un soi-disant fullerène. Là, il pouvait pendre librement autour du sommet de chaque mât tenu par une sorte de nano-corde. "Nous pouvons réellement voir ce mouvement des fullerènes, prédit par des simulations informatiques, dans nos images au microscope à effet tunnel", explique Jester. C'est parce que les images des ballons de football moléculaires ne sont pas nettes, mais floues :un peu comme photographier un vrai ballon sur une ficelle se déplaçant d'avant en arrière dans le vent en basse lumière. Les molécules de référence rigidement attachées, d'autre part, sont clairement visibles dans les images du microscope à effet tunnel. + Explorer plus loin

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