Notre équipe internationale de scientifiques a trouvé une solution à ce problème en utilisant la concentration de lumière dans un volume à l’échelle atomique au sommet d’une pointe métallique. Nous avons pu induire la commutation de deux atomes d'hydrogène dans une molécule, un processus appelé tautomérisation, et contrôler la vitesse de la réaction et son résultat en éclairant différentes parties de la molécule.

Nos recherches sont publiées dans la revue Nature Nanotechnology . À l'avenir, cette stratégie pourrait être utilisée pour synthétiser de nouveaux composés chimiques dont les propriétés sont contrôlées avec une précision atomique.

La vision commence par les molécules rétiniennes qui absorbent la lumière frappant l’œil. L'énergie récupérée des photons est stockée pendant très peu de temps dans la molécule et peut être utilisée pour initier une réaction chimique, dans ce cas, l'isomérisation, un changement dans la configuration des atomes et des liaisons.

Les composés environnants détectent cette modification de la forme de la rétine, ce qui entraîne une cascade d'événements finalement détectés par notre cerveau. D'autres réactions chimiques induites par la lumière sont importantes dans des mécanismes tels que la photosynthèse chez les plantes ou la photopolymérisation utilisée à la fois dans l'industrie des semi-conducteurs pour la gravure et l'impression 3D.

Même si les photoréactions jouent un rôle déterminant tant dans la nature que dans l'industrie, étudier et contrôler de telles transformations chimiques au niveau de l'unité la plus élémentaire, c'est-à-dire une molécule unique interagissant avec la lumière, est extrêmement difficile.

Dans le cas habituel, la lumière interagira avec de nombreuses molécules en même temps, car les longueurs d'onde des photons visibles (400 à 800 nm) sont deux ordres de grandeur supérieures à la taille d'une molécule optiquement active habituelle (1 à 4 nm). La microscopie optique typique n'est pas suffisante pour atteindre une telle précision dans l'étude de l'interaction entre la lumière et la matière.

Surmonter ce problème et être capable de jouer avec une réaction photochimique avec une précision inférieure au nanomètre était l'objectif de notre équipe internationale basée en France, en Tchéquie et en Allemagne.

Nous résolvons ce problème en utilisant la capacité de pointes de microscopie à effet tunnel (STM) très pointues, avec un seul atome à leur sommet, pour concentrer la lumière laser jusqu'à l'échelle inférieure au nanomètre. Ces pointes métalliques agissent de manière similaire aux antennes radiofréquence habituelles, sauf qu'elles fonctionnent dans les fréquences optiques du spectre électromagnétique.

Nous bénéficions de cet effet et l’utilisons pour déclencher une réaction photochimique, que nous étudions non seulement au niveau d’une seule molécule mais également sur une sous-partie de cette molécule. En déplaçant la pointe STM, nous pouvons déplacer avec précision le point lumineux subnanométrique vers différentes positions au-dessus de la molécule et observer comment cela influence la vitesse de réaction.

Cette précision est possible car notre STM fonctionne sous ultra-vide, ce qui maintient notre système exempt de toute contamination, et à des températures très basses (presque -270°C), afin que les molécules ne bougent pas à la surface.

Nous avons étudié une réaction appelée tautomérisation, une forme particulière d'isomérisation dans laquelle les atomes d'hydrogène changent de position. Au cœur d'une molécule de phtalocyanine, que nous avons utilisée dans notre étude, deux hydrogènes se tautomérisent à l'unisson (voir les flèches dans la figure ci-dessus).

Nous contrôlons la fréquence à laquelle ces atomes changent en déplaçant la pointe sur différentes parties de la molécule (voir l'animation) et en changeant la couleur de la lumière que nous utilisons pour l'éclairage. Nous pouvons même détecter la lumière émise par notre phtalocyanine, ce qui nous permet d'imager optiquement la molécule avec une précision à l'échelle atomique et d'en apprendre davantage sur les mécanismes de tautomérisation.

Notre approche photochimique à l’échelle atomique est très prometteuse pour l’avenir. On peut facilement imaginer utiliser cette stratégie pour synthétiser des molécules qui ne pourraient être obtenues autrement. Cela pourrait être fait en déplaçant la pointe agissant comme une source de lumière à l'échelle atomique pour, par exemple, photopolymériser uniquement les sous-unités moléculaires sélectionnées, une par une.

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