Nanostructures auto-assemblées à structure atomiquement précise et propriétés électroniques adaptées

Anonim

Les bio-organismes sont les machines les plus complexes que nous connaissons et sont capables d'atteindre des fonctions exigeantes avec une grande efficacité.

Un thème commun à ces bio-machines est que tout ce qui est important se produit au niveau des molécules simples, c'est-à-dire à l'échelle nanométrique.

La fonctionnalité de ces bio-systèmes repose sur l'auto-assemblage - c'est-à-dire que les molécules interagissent de manière précise et sélective les unes avec les autres pour former des structures bien définies. Un exemple bien connu de ce phénomène est la structure à double hélice de l’ADN.

Désormais, inspiré par des bio-systèmes auto-assemblés, un groupe international de scientifiques, dont des physiciens de FLEET, a créé un nouveau nanomatériau auto-assemblé à base de carbone, qui pourrait jouer un rôle clé dans les nouvelles technologies photovoltaïques et de catalyse.

Grâce à l'auto-assemblage, les chercheurs ont pu concevoir, avec une précision à l'échelle atomique, une nouvelle nanostructure 1-D composée de molécules organiques (à base de carbone) et d'atomes de fer.

Les résultats sont décrits dans deux études publiées ce mois-ci dans Nature Communications et ACS Nano.

Précision à l'échelle atomique via l'auto-assemblage: une voie vers la fonctionnalité

"Fabriquer des nanomatériaux en contrôlant la position des atomes et des molécules individuels, un à la fois, est très fastidieux, voire impossible", explique le Dr Agustin Schiffrin, chercheur principal à l'Université Monash et chercheur en chef de FLEET.

"Au lieu de cela, nous pouvons créer des structures atomiquement précises par auto-assemblage, en choisissant les bonnes molécules, atomes et conditions de préparation."

"Cela présente l'avantage qu'aucune intervention externe n'est requise", explique le Dr Schiffrin.

Cette capacité d'auto-assemblage provient de l'utilisation de molécules organiques (c'est-à-dire à base de carbone) en tant que nano-unités de construction.

La forme, la taille et les groupes fonctionnels en interaction de ces molécules organiques peuvent être réglés de manière presque infinie en utilisant la chimie de synthèse organique.

Le contrôle des interactions entre les molécules conduit à la création de la nanostructure souhaitée, bien définie, de manière similaire à la manière dont les interactions entre les acides nucléiques dans l'ADN donnent naissance à la double hélice.

"Nous pouvons ainsi construire des matériaux avec une structure technique très précise, ce qui a pour résultat que le matériau possède les propriétés électroniques souhaitées", explique la co-auteur Marina Castelli, Ph.D. étudiant à l'école de physique et d'astronomie de l'université Monash.

"Tout comme les fonctions des bio-organismes dépendent des interactions à l'échelle nanométrique, les propriétés physiques et électroniques de ces nouveaux matériaux proviennent de leur structure au niveau d'une seule molécule", explique le Dr Cornelius Krull, chercheur associé à Monash.

Les bas-haut bat de haut en bas

Les méthodes conventionnelles de nanofabrication de matériaux, telles que la lithographie, reposent sur des approches «top-down», avec des matériaux modelés par élimination de la matière. De telles méthodes sont limitées à des résolutions de l'ordre du nanomètre au mieux.

Au lieu de cela, les méthodes «ascendantes» peuvent permettre une résolution de motifs inférieure au nanomètre, avec le potentiel d'un niveau plus élevé de contrôle et d'efficacité des propriétés électroniques.

De plus, l'application d'approches de synthèse «ascendantes» avec une surface en tant que substrat permet d'obtenir des nanostructures dont les propriétés ne peuvent être obtenues par les méthodes de synthèse classiques.

Les nanomatériaux basés sur des complexes moléculaires organométalliques permettent une large gamme de fonctionnalités, à la fois technologiques et biologiques, allant de la catalyse au photovoltaïque en passant par la détection et le stockage des gaz.

Dans ces systèmes, la morphologie à l'échelle atomique et la configuration électronique du motif de coordination métal-organique jouent un rôle crucial, dictant leurs propriétés électroniques et chimiques globales.

Les deux études

L'article "Conception des propriétés optoélectroniques par synthèse en surface: formation et structure électronique d'un complexe macromoléculaire fer-terpyridine", publié dans ACS Nano, décrit la dépendance énergétique et spatiale des états électroniques (occupé et inoccupé) du fer 1D nanostructure métal-organique à base d'énergie, dans une gamme d'énergie proche du niveau de Fermi, qui peut être utile pour des applications optoélectroniques telles que le photovoltaïque, la photo-catalyse et les dispositifs émettant de la lumière.

Etude de la structure et de la chimie au niveau de l'atome unique. Cet article, publié dans Nature Communications, décrit à l'échelle atomique la structure intramoléculaire et la distribution de la charge non triviale. motif de coordination fer-molécule, utile pour des applications en catalyse.

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