Une réaction chimique aussi bonne que de l’or pour les technologies futures

Une nouvelle étude menée par l’Australie révèle que les atomes d’or pourraient être la clé du déverrouillage des réactions organiques.

Les molécules organiques sont les éléments constitutifs des matériaux que nous utilisons tous les jours, de nos vêtements et tasses à café aux écrans de nos téléphones. La maîtrise des réactions de ces molécules organiques est la clé pour concevoir des matériaux aux propriétés fonctionnelles.

Les réactions ciblant les liaisons carbone-hydrogène (CH) présentent depuis longtemps un intérêt scientifique étant donné que presque toutes les molécules organiques contiennent ces liaisons. Dirigée par FLEET à l’Université Monash, une nouvelle étude (publiée cette semaine dans le Journal de l’American Chemical Society) constate que les atomes d’or individuels peuvent fournir une voie à faible énergie pour les réactions qui peuvent cibler des liaisons CH spécifiques.

Le « Saint Graal » des réactions chimiques

« L’un des objectifs de FLEET est le développement de matériaux dont les propriétés électroniques peuvent être exploitées dans les technologies à faible énergie », explique l’auteur correspondant A/Prof Agustin Schiffrin.

Les molécules organiques peuvent servir de blocs de construction utiles pour la construction accordable de ces matériaux, à condition que les réactions entre les molécules puissent être contrôlées à l’échelle atomique.

Les liaisons carbone-hydrogène sont parmi les liaisons les plus courantes dans les molécules organiques. Pour cette raison, la capacité de cibler des liaisons CH spécifiques dans les réactions chimiques a été décrite par certains chercheurs comme le « Saint Graal ». Malheureusement, deux grands défis font obstacle aux réactions d’activation du CH :

Les chercheurs de Monash ont découvert que des atomes d’or isolés pouvaient fournir une voie d’activation du CH.

Les chercheurs ont combiné un petit nombre d’atomes d’or individuels avec des molécules organiques de 9,10-dicyanoanthracène (DCA) sur une surface atomiquement plate d’argent, Ag(111).

« Nous avons utilisé des techniques expérimentales à l’échelle atomique – la microscopie à effet tunnel et la microscopie à force atomique – pour imager et caractériser les échantillons », explique l’auteur principal Benjamin Lowe, titulaire d’un doctorat FLEET. étudiant à Monash. « Ces techniques ont révélé des liaisons covalentes inhabituelles entre les atomes de carbone des molécules de DCA et les atomes d’or. »

La formation de telles liaisons covalentes suggérait que des liaisons CH spécifiques devaient d’abord avoir été rompues. En collaboration avec des collaborateurs théoriques de l’Académie tchèque des sciences, les chercheurs ont découvert une voie de réaction suggérant qu’un état intermédiaire métallo-organique formé par des atomes d’or uniques avec des paires de molécules de DCA pourrait favoriser le déroulement d’une telle réaction.

De manière significative, la voie de réaction découverte ne peut expliquer que la rupture CH d’une liaison CH spécifique. Les chercheurs ont constaté une diminution spectaculaire de l’énergie nécessaire pour rompre cette liaison CH spécifique (barrière d’activation), permettant la réaction à température ambiante.

« Cette étude aborde directement les deux plus grands défis, à savoir une faible sélectivité et une barrière d’activation élevée, qui limitent la dissociation spécifique des liaisons CH dans les molécules organiques », explique Agustin Schiffrin, chercheur en chef de FLEET. « Notre approche peut potentiellement ouvrir la porte à la synthèse de nouveaux nanomatériaux organiques et métallo-organiques, avec des propriétés utiles pour l’électronique, l’optoélectronique, la détection, la catalyse, etc. »

Et après?

Compte tenu du grand intérêt que suscitent les réactions des molécules organiques dans divers domaines, cette réaction prometteuse a de nombreuses applications potentielles telles que la fabrication de polymères et la modification de produits pharmaceutiques.

Chez FLEET, les chercheurs espèrent exploiter cette réaction sélective et efficace pour produire des matériaux atomiquement minces avec des propriétés électroniques souhaitables.

L’article « Selective Activation of Aromatic CH Bonds Catalysed by Single Gold Atoms at Room Temperature » a été publié dans le Journal de l’American Chemical Society en novembre 2022.

L’étude a été dirigée par l’École de physique et d’astronomie de l’Université Monash, avec des co-auteurs de l’Institut de physique de l’Académie des sciences de la République tchèque et de l’Université Palacký de la République tchèque.