Noces d'or pour les molécules
Dübendorf, St. Gallen und Thun, 14.04.2022 - Les synthèses chimiques dans les liquides et les gaz ont lieu dans un espace tridimensionnel. Des collisions aléatoires doivent donner naissance à quelque chose de nouveau en un temps extrêmement court. Mais il en va autrement : sur une surface d'or observée au microscope à balayage à effet tunnel, des molécules non agitées et juxtaposées se combinent - même celles qui ne réagiraient jamais entre elles dans les liquides. Des chercheurs de l'Empa ont découvert une telle réaction. Mieux encore : les experts peuvent "passer au ralenti" et observer chaque étape de la réaction.
En chimie, certaines structures sont particulièrement stables, comme le "cycle benzénique" composé de six atomes de carbone reliés entre eux. De tels anneaux constituent la base structurelle du graphite et du graphène, mais ils sont également présents dans de nombreux colorants - comme le colorant du jean, l'indigo, et dans de nombreux médicaments comme l'aspirine.
Lorsque les chimistes souhaitent construire de tels cycles de manière ciblée, ils utilisent des réactions dites de couplage qui portent généralement le nom de leurs inventeurs : par exemple la réaction de Diels-Alder, la réaction d'Ullmann, la cyclisation de Bergman ou le couplage de Suzuki. S'y ajoute désormais une autre qui ne porte pas encore de nom. Elle a été découverte par une équipe de l'Empa en collaboration avec l'Institut Max-Planck de recherche sur les polymères à Mayence.
Tout au sec
Les chercheurs de l'Empa ont renoncé aux liquides lors de leur synthèse chimique et ont fixé à la place les substances de départ sur une surface d'or sous ultravide. Dans le microscope à balayage à effet tunnel refroidi, la substance de base (diisopropyl-p-terphényle) non agitée peut être observée encore une fois avant que les chercheurs n'augmentent le chauffage.
Augmenter le chauffage - mouvement sur la piste de danse
À température ambiante, il ne se passe encore rien, mais à environ 200 degrés Celsius, il se produit une réaction étonnante qui ne se produirait jamais dans des liquides : les deux groupes isopropyle - normalement tout à fait inoffensifs sur le plan chimique - s'associent pour former un cycle benzénique. La raison : grâce au "montage" solide sur la surface de l'or, un atome d'hydrogène est d'abord relâché puis détaché de la molécule. Il en résulte des radicaux de carbone qui attendent de nouveaux partenaires. Et sur la surface de l'or, les partenaires sont nombreux. À 200 degrés Celsius, les molécules vibrent et font des rotations rapides - il y a du mouvement sur la piste de danse en or. Ainsi, ce qui va ensemble s'assemble bientôt.
Et encore une fois, tout au ralenti
La liaison sur la surface dorée présente deux avantages. Premièrement, aucune contrainte n'est nécessaire : la réaction a lieu sans acides boriques intermédiaires ni atomes d'halogène qui s'envolent. Il s'agit d'un composé impliquant uniquement des hydrocarbures saturés. Les substances de départ sont peu coûteuses et faciles à obtenir, et il n'y a pas de sous-produits toxiques.
Deuxième avantage : les chercheurs peuvent assister à chaque étape de la réaction - ce qui n'est pas non plus possible avec la chimie "liquide" classique. L'équipe de l'Empa ne fait que monter progressivement le chauffage du microscope à balayage à effet tunnel. A 180 degrés Celsius, les molécules n'ont relié qu'un bras à leurs voisins, le deuxième dépasse encore librement sur la piste de danse. Si l'on refroidit maintenant abondamment le microscope à effet tunnel à balayage, on peut observer et "photographier" les molécules juste avant leur "mariage". C'est exactement ce qu'ont fait les chercheurs. Le mécanisme de réaction est ainsi prouvé sous forme d'"instantanés".
Des chances pour une "nouvelle" chimie
Les chercheurs et leurs collègues s'attendent à deux types d'effets qui pourraient découler des travaux actuels. D'une part, la méthode des "instantanés" pourrait également servir à élucider de tout autres mécanismes de réaction. L'Empa développe des appareils qui, au moyen d'impulsions laser ultracourtes dans le microscope à effet tunnel, permettent d'élucider pas à pas de telles réactions chimiques. Cela pourrait apporter des connaissances supplémentaires sur les réactions chimiques et ébranler bientôt certaines théories anciennes.
Mais les résultats de la recherche "à sec" pourraient également être utiles pour développer la chimie "liquide". Jusqu'à présent, la plupart des réactions documentées dans la littérature provenaient de la chimie liquide classique et les chercheurs en microscopie pouvaient reproduire ces expériences par après. À l'avenir, il serait possible de concevoir certaines réactions au microscope à balayage à effet tunnel et de les transférer ensuite dans la chimie liquide ou gazeuse.
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