Les machines à l'échelle nanométrique ont de nombreuses utilisations, notamment l'administration de médicaments, la technologie des transistors à un seul atome ou le stockage de mémoire. Cependant, les machines doivent être assemblées à l'échelle nanométrique, ce qui représente un défi considérable pour les chercheurs.

Pour les ingénieurs en nanotechnologie, l'objectif ultime est de pouvoir assembler des machines fonctionnelles pièce par pièce à l'échelle nanométrique. Dans le monde macroscopique, nous pouvons simplement saisir des objets pour les assembler. Il n'est plus impossible de "saisir" des molécules individuelles, mais leur nature quantique rend leur réponse à la manipulation imprévisible, limitant la capacité à assembler les molécules une par une. Cette perspective est maintenant un peu plus proche de la réalité, grâce à un effort international mené par le Centre de recherche Jülich de la société Helmholtz en Allemagne, comprenant des chercheurs du Département de chimie de l'Université de Warwick.

Dans l'article "Le potentiel de stabilisation d'une molécule debout", publié aujourd'hui, 10 novembre 2021 dans la revue Science Advances , une équipe internationale de chercheurs a été en mesure de révéler le mécanisme de stabilisation générique d'une seule molécule permanente, qui peut être utilisée dans la conception et la construction rationnelles de dispositifs moléculaires tridimensionnels au niveau des surfaces.

Le microscope à sonde à balayage (SPM) a rapproché la vision de la fabrication à l'échelle moléculaire de la réalité, car il offre la capacité de réorganiser les atomes et les molécules sur les surfaces, permettant ainsi la création de structures métastables qui ne se forment pas spontanément. À l'aide de SPM, le Dr Christian Wagner et son équipe ont pu interagir avec une seule molécule permanente, le dianhydride pérylène-tétracarboxylique (PTCDA) sur une surface pour étudier la stabilité thermique et la température à laquelle la molécule cesserait d'être stable et retomberait dans son état naturel où il s'adsorbe à plat sur la surface. Cette température est de -259,15 Celsius, à seulement 14 degrés au-dessus du point de température zéro absolu.

Des calculs de chimie quantique effectués en collaboration avec le Dr Reinhard Maurer du Département de chimie de l'Université de Warwick ont ​​pu révéler que la stabilité subtile de la molécule découle de la compétition de deux forces quantiques fortes, à savoir l'attraction à longue distance de la surface et la force de rappel à courte portée provenant du point d'ancrage entre la molécule et la surface.

Le Dr Reinhard Maurer du Département de chimie de l'Université de Warwick commente :"L'équilibre des interactions qui empêche la molécule de tomber est très subtil et constitue un véritable défi pour nos méthodes de simulation chimique quantique. En plus de nous apprendre les principes fondamentaux mécanismes qui stabilisent ces nanostructures inhabituelles, le projet nous a également aidés à évaluer et à améliorer les capacités de nos méthodes."

Le Dr Christian Wagner de l'Institut Peter Grünberg pour les nanosciences quantiques (PGI-3) du Centre de recherche de Jülich commente :« Pour utiliser technologiquement les propriétés quantiques fascinantes des molécules individuelles, nous devons trouver le bon équilibre :elles doivent être immobilisées sur une surface, mais sans les fixer trop fortement, sinon elles perdraient ces propriétés. Les molécules debout sont idéales à cet égard. Pour mesurer leur stabilité réelle, nous avons dû les redresser encore et encore avec une aiguille métallique pointue et le temps combien de temps ont-ils survécu à différentes températures."

Maintenant que les interactions qui donnent naissance à une molécule stable sont connues, les recherches futures peuvent viser à concevoir de meilleures molécules et des liens molécule-surface pour ajuster ces interactions quantiques. Cela peut aider à augmenter la stabilité et la température à laquelle les molécules peuvent être commutées dans des réseaux permanents vers des conditions de travail. Cela soulève la perspective d'une nanofabrication de machines à l'échelle nanométrique. + Explorer plus loin

Visualisation des états quantiques des concepteurs dans des corrals quantiques à macrocycles stables