Petits arrangements entre molécules

Les molécules organiques ont la faculté de s’organiser entre elles, produisant des cristaux dont les propriétés physiques et chimiques peuvent dépendre de la forme de ces arrangements. Plus les molécules sont nombreuses, plus il existe d’interactions entre elles : c’est du moins ce que l’on observe dans un cristal à trois dimensions, une configuration comparable à celle de voyageurs contraints de se presser les uns contre les autres dans le métro aux heures de pointe.

Ce n’est pas toujours vrai à 2D, dès lors que l’on considère l’arrangement moléculaire sur une surface. C’est ce que viennent de prouver des chercheurs de l’Institut FEMTO-ST et de l’IEMN, l’Institut d’électronique, de microélectronique et des nanotechnologies de Lille.

À FEMTO-ST, le chimiste Frédéric Chérioux, directeur de recherche au CNRS, et le physicien Frank Palmino, enseignant-chercheur à l’IUT de Belfort – Montbéliard, travaillent en tandem, combinant leurs compétences et celles de leurs collaborateurs¹ pour des recherches des plus fructueuses.

Ils sont passés maîtres dans l’art de contrôler les arrangements moléculaires pour réaliser des réseaux poreux ou compacts, des systèmes périodiques organisés en lignes, en carrés ou en d’autres maillages encore, sur des surfaces en silicium. Les expérimentations sont réalisées sous contrôle d’un microscope à effet tunnel sous haut vide, et mises à l’épreuve de la modélisation à l’IEMN. La dernière en date a demandé des mois de calculs pour une simulation concernant des millions d’atomes. Conclusion ? « Pour certaines molécules, le cristal le plus stable, qui présente le plus grand nombre de liaisons chimiques entre molécules, est aussi celui qui correspond à une phase peu dense », raconte Frédéric Chérioux. L’interaction de la surface avec les molécules explique en grande partie le phénomène.

Images STM expérimentales en haut (dimensions 10 x 10 nm²) et vue artistique en bas,

montrant la transformation d’un réseau compact et dense (à gauche) en un réseau poreux et moins dense (à droite).

Une molécule apparaît comme une étoile à trois branches constituée par six spots clairs.

Dès lors, la position des molécules même, leur arrangement et leur densité sont des paramètres sur lesquels il devient possible de jouer pour créer des arrangements aux géométries différentes et donc des cristaux différents. Les chercheurs visent ainsi à obtenir un travail mécanique de la part des molécules ou à favoriser le transport d’informations via un courant électrique dirigé à travers les molécules. Ces travaux valent aux chercheurs de FEMTO-ST une reconnaissance internationale au plus haut niveau, comme en témoigne la publication de leurs derniers résultats dans une prestigieuse revue américaine. Ils sont essentiels pour l’avenir des technologies silicium actuellement au cœur du fonctionnement de nos ordinateurs ou téléphones portables.

¹ Younes Makoudi, maître de conférences à l’UFC ; Judicaël Jeannoutot, assistant-ingénieur CNRS ; Simon Lamare, assistant-ingénieur contractuel ; Matthieu Beyer et Gaolei Zhan, doctorants.