Un rover spatial moléculaire

Depuis des années, les scientifiques sont intrigués par la façon dont les molécules se déplacent sur les surfaces. La compréhension de ce processus est essentielle à de nombreuses applications, notamment la catalyse et la fabrication de dispositifs à l'échelle nanométrique.

Aujourd'hui, à l'aide d'expériences de spectroscopie neutronique réalisées à l'Institut Laue-Langevin (ILL), de modèles théoriques avancés et de simulations informatiques, une équipe dirigée par Anton Tamtögl, de l'Université de technologie de Graz, a dévoilé le mouvement unique des molécules de triphénylphosphine (PPh3) sur des surfaces de graphite : un comportement semblable à celui d'un rover spatial nanoscopique. En fait, les molécules PPh3 présentent une forme de mouvement remarquable, elles roulent et se translatent d’une manière qui remet en question les connaissances antérieures. Ce mouvement semblable à celui d’un rover semble être facilité par la géométrie unique de ces molécules et leur liaison en trois points sur la surface.

« Plonger dans le monde complexe du mouvement moléculaire sur les surfaces de graphite a été un voyage passionnant », révèle Anton Tamtögl, ajoutant : « Les mesures et les simulations ont dévoilé un mouvement sophistiqué  et une « danse » des molécules, nous offrant une compréhension plus approfondie de la dynamique des surfaces) et nous ouvrant de nouveaux horizons pour la science des matériaux et la nanotechnologie. »

La triphénylphosphine est une molécule importante pour la synthèse de composés organiques et de nanoparticules avec de nombreuses applications industrielles. La molécule présente une géométrie particulière : PPh3 est pyramidale avec un agencement en forme d'hélice de ses trois groupes d'atomes cycliques (voir image).

Les neutrons offrent des possibilités uniques pour l’étude de la structure et de la dynamique des matériaux. Généralement dans une expérience, les neutrons diffusés par l'échantillon sont mesurés en fonction du changement de leur direction et de leur énergie. En raison de leur faible énergie, les neutrons constituent une excellente sonde pour étudier les excitations de faible énergie telles que les rotations moléculaires et la diffusion. Les mesures de spectroscopie neutronique ont été effectuées à l’ILL sur les instruments IN5 (spectromètre Temps de vol) et IN11 (spectromètre à écho de spin neutronique).

« Il est étonnant de voir à quel point les puissants spectromètres de l'ILL nous permettent de suivre la dynamique de ces systèmes moléculaires fascinants même si la quantité d'échantillon est infime », déclare Peter Fouquet, scientifique à l'ILL, expliquant que « les faisceaux de neutrons ne détruisent pas ces échantillons sensibles et permettent une comparaison parfaite avec les simulations informatiques.

Cette étude montre que les molécules PPh3 interagissent avec la surface du graphite d'une manière qui leur permet de se déplacer avec une facilité étonnante. Le mouvement est caractérisé par des rotations et des translations (sauts) des molécules. Alors que les rotations et les mouvements intramoléculaires prédominent jusqu'à environ 300 K, les molécules suivent un mouvement de translation (saut) supplémentaire sur la surface de 350 à 500 K.

Comprendre les mécanismes détaillés du mouvement moléculaire à l’échelle nanométrique ouvre de nouvelles voies pour la fabrication de matériaux avancés dotés de propriétés adaptées. Outre son intérêt fondamental, le mouvement de la  PPh3 et des composés apparentés sur les surfaces du graphite revêt une grande importance pour de futures applications.

L'ILL est l'infrastructure de référence mondiale en matière de science et de technologie neutronique. Il est doté d'un réacteur à haut flux délivrant les faisceaux de neutrons les plus intenses au monde à un ensemble de plus de 40 instruments. Avec 2 500 visites de chercheurs chaque année, il permet des recherches de pointe dans un large domaine scientifique, notamment la physique, la chimie et la biologie, ainsi que la science et l'ingénierie des matériaux.