Des chercheurs du monde entier s’efforcent de développer des matériaux efficaces pour convertir le CO2 en substances chimiques utilisables, un travail particulièrement urgent compte tenu du réchauffement climatique.
Une équipe de l’Université de Göttingen, en Allemagne, et de l’Institut national des sciences d’Ulsan, en Corée du Sud, a découvert une nouvelle approche prometteuse : les molécules catalytiquement actives sont nanoconfinées, ce qui signifie qu’elles sont placées dans un environnement qui laisse très peu d’espace pour le seul molécules – sur une surface qui sert de fournisseur d’électrons conducteur.
Ces molécules favorisent des réactions chimiques spécifiques. De tels systèmes hybrides exploitent à la fois les propriétés des molécules et les propriétés du substrat. Les résultats ont été publiés dans Avancées scientifiques.
La première étape pour l’équipe consistait à déposer les molécules catalytiquement actives sous forme de vapeur sur de l’argent poli avant de les examiner avec un microscope à effet tunnel à haute résolution construit à Göttingen. « A notre plus grand étonnement, les molécules s’organisent, comme par magie, en structures monocouches presque parfaites à la surface », déclare Lucas Paul, Ph.D. étudiant, Université de Göttingen, et co-auteur de l’étude.
« En plus de l’imagerie des molécules individuelles, l’énergie des électrons injectés peut être ajustée si précisément dans le microscope à effet tunnel que des réactions chimiques peuvent être induites et observées dans une seule molécule », explique le physicien professeur Martin Wenderoth. Wenderoth a dirigé le projet avec le professeur chimiste Inke Siewert, au Centre de recherche collaborative 1073 de l’Université de Göttingen « Contrôle à l’échelle atomique de la conversion d’énergie ». Siewert ajoute qu’ils « sont capables de rompre très précisément les liaisons chimiques individuelles ».
Les chercheurs montrent que les molécules particulièrement denses en surface ont des propriétés chimiques altérées. Ainsi, exclusivement pour les molécules « piégées », la liaison peut être rompue et ultérieurement également restaurée, puisque la partie séparée de la molécule ne peut s’éloigner que très légèrement du reste de la molécule. « Cela montre comment un manque d’espace, au niveau atomique, peut être utilisé pour manipuler des réactions chimiques », déclare le premier auteur Ole Bunjes, de l’Université de Göttingen.
L’équipe de recherche souhaite que leurs expériences contribuent au développement de systèmes moléculaires de surface efficaces aux propriétés précisément déterminées. En outre, ils veulent étudier si leur nouveau système convient comme mémoire de données moléculaires.
Ole Bunjes et al, Création et rupture de liaisons chimiques dans des molécules nanoconfinées uniques, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abq7776