Une réaction chimique aussi bonne que l’or

Une nouvelle recherche menée par l’Australie révèle que les atomes d’or pourraient être la clé pour déverrouiller les réactions organiques.

Les molécules organiques sont les blocs de construction 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 du développement de matériaux aux propriétés fonctionnelles.

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

Le “Saint Graal” des réactions chimiques

“L’un des objectifs de FLEET est de développer des matériaux dont les propriétés électroniques peuvent être utilisées 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 conception reconfigurable de ces matériaux, à condition que les réactions entre les molécules puissent être contrôlées à l’échelle atomique.

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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 des réactions chimiques a été décrite par certains chercheurs comme le “Saint Graal”. Malheureusement, deux problèmes majeurs entravent les réactions d’activation du CH :

  1. Difficulté à cibler une liaison spécifique pour une réaction (mauvaise sélectivité).
  2. Il faut beaucoup d’énergie pour rompre ces liaisons (énergie d’activation élevée).

Tout ce qui brille…?

Cela a été découvert par les chercheurs de Monash atomes d’or simples peut fournir une voie vers l’activation du CH.

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

“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, étudiant au doctorat FLEET à Monash. “Ces méthodes 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 indique que des liaisons CH spécifiques devaient d’abord être rompues. En collaboration avec des collègues théoriciens de l’Académie tchèque des sciences, les chercheurs ont découvert une voie de réaction qui suggère qu’un état intermédiaire métallo-organique formé par des atomes d’or simples avec des paires de molécules DCA peut favoriser une telle réaction.

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Il est à noter que le chemin de réaction trouvé ne peut expliquer que la rupture du 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 à la réaction de se produire à température ambiante.

“Cette étude aborde directement deux des plus grands défis, à savoir la faible sélectivité et la barrière d’activation élevée, qui limitent la dissociation spécifique des liaisons CH dans les molécules organiques”, déclare Augustin Shiffrin, scientifique principal de FLEET. “Notre approche pourrait potentiellement ouvrir la porte à la synthèse de nouveaux nanomatériaux organiques et organométalliques aux propriétés utiles pour l’électronique, l’optoélectronique, la détection, la catalyse, etc.”

Et après?

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

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

La recherche 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 tchèque des sciences et de l’Université de Palatka en République tchèque.

Outre le soutien du Conseil australien de la recherche (Centre d’excellence et programme de bourses futures), les auteurs remercient l’Académie tchèque des sciences et la Fondation tchèque des sciences (Praemium Academie), ainsi que le ministère de l’Éducation, Jeunesse et Sports de la République tchèque (e-Infrastruktura CZ).

Benjamin Lowe a dirigé les recherches du groupe du professeur Augustin Shiffrin à l’Université Monash, qui étudie les propriétés électroniques des matériaux organiques et organométalliques à l’échelle atomique.

À l’aide de techniques de pointe de synthèse de nanomatériaux et de microscopie à sonde à balayage à l’Université Monash, le groupe travaille à la synthèse de nouveaux matériaux qui pourraient être utilisés dans des dispositifs électroniques à très faible consommation.

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