Des chercheurs produisent des polymères à partir de Ballbot

28 août 2023

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par l'Université de Münster

Les carbènes N-hétérocycliques (NHC) sont de petites molécules cycliques réactives qui se lient bien aux surfaces métalliques et qui, au cours des dernières années, ont suscité beaucoup d'intérêt dans le domaine de la modification chimique stable des surfaces métalliques. Une propriété découverte à l'Université de Münster en Allemagne il y a quelques années est la capacité de certains dérivés du NHC, non seulement à s'ancrer sur des atomes métalliques individuels, mais également à extraire complètement un atome individuel de la surface. Après s'être liés à ces soi-disant adatomes, les NHC glissent librement sur la surface, comme un ballbot, c'est-à-dire un robot qui se déplace sur une sphère.

En utilisant de telles "molécules ballbot" et en travaillant en collaboration avec des chercheurs chinois, les physiciens et chimistes de Münster ont réussi pour la première fois à faire en sorte que les NHC halogénés produisent des polymères mobiles à longue chaîne (des chaînes de molécules) sur des surfaces métalliques. Les détails des travaux ont été publiés dans la revue Nature Chemistry.

La mobilité des NHC de type ballbot ouvre de nouvelles possibilités, par exemple l'auto-assemblage en domaines hautement ordonnés à partir de ce type de molécule, jusqu'au comportement coopératif de type essaim des NHC pour convertir de manière autonome certaines surfaces métalliques en un structure hautement ordonnée différente sans aucune influence externe telle que la lumière ou les électrons.

"Au-delà de leur auto-organisation, ces polymères ballbots sont très prometteurs pour de nouvelles applications en nanoélectronique, fonctionnalisation de surface et catalyse", déclare le professeur Harald Fuchs, professeur principal à l'Institut de physique de l'Université de Münster et directeur scientifique du Centre de nanotechnologie ( CeNTech) à Münster.

Les NHC peuvent être facilement modifiés dans les groupes azote (N) du corps hétérocyclique quintuple des molécules. De ce fait, cela permet non seulement d'influencer l'interaction électronique entre les carbènes et les atomes d'une surface métallique – par exemple l'or – mais également de contrôler l'alignement des carbènes verticalement ou parallèlement à une surface.

Une particularité des NHC halogénés utilisés, développés à l'Institut de chimie organique de l'Université de Münster, est leur capacité à former spontanément des adatomes sur des métaux nobles et la mobilité qui en résulte. C'est une condition préalable à leur rapprochement et à la réaction avec d'autres systèmes réactifs en surface.

"L'équilibre entre la réactivité chimique des unités structurelles monomères et leur mobilité a été un facteur décisif dans le succès des expériences", explique l'auteur principal, le professeur Jindong Ren, ancien chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Harald Fuchs et aujourd'hui chercheur principal. (PI) et chef de groupe au Centre national des nanosciences et technologies (NCNST) de Chine.

D'une part, les monomères peuvent se déplacer facilement sur la surface grâce à leur propriété de balle ; d'autre part, le temps de contact dont disposent les parties à la réaction doit être suffisamment long pour que la réaction se produise. Cela se produit avant tout grâce à la structure moléculaire et à un réglage de température approprié au cours de l'expérience.

Le contrôle des réactions chimiques et la mise en évidence des produits de réaction souhaités dans le domaine de la chimie de précision pour les surfaces nécessitent des expériences préparatives et analytiques hautement spécialisées qui permettent d'observer les interactions moléculaires sur les surfaces et les étapes de réaction individuelles à une échelle submoléculaire.