Quand une molécule joue à la bascule…

Charger et décharger une molécule à la demande et changer sa forme : voici un atout de choix dans la course à la miniaturisation dont se sont dotés les chercheurs du Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (Cemes) du CNRS. En plus de charger une molécule unique, à volonté et de manière absolument réversible, ces derniers ont su démontrer le lien entre cette charge et la forme géométrique de la molécule. La molécule peut donc être vue comme un bit d’information ou un système électromécanique de taille nanométrique. Ce jeu de bascule moléculaire parfaitement maîtrisé s’avère très intéressant pour la réalisation de mémoires ultra-denses ou de nano moteurs. Ces résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Ce qu’ont réalisé les chercheurs du Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales du CNRS (Cemes) à Toulouse est appelé un commutateur moléculaire. Il s’agit d’une molécule qui peut indifféremment adopter un état A ou un état B par l’action d’un stimulus extérieur. Dans cette expérience, les états correspondent à deux géométries différentes de la molécule : elle conserve sa composition mais change simplement de forme. Pour induire ce changement, il faut ici ajouter un électron à la molécule (stimulus extérieur). En ajoutant un électron à la molécule, on introduit une force de répulsion supplémentaire. Certains atomes vont donc s’éloigner les uns les autres et la molécule changera de forme, passant d’une configuration plane et carrée à une configuration pyramidale plus volumineuse.

D’un point de vue technique, l’opération est rendue possible grâce à l’utilisation d’un microscope à effet tunnel. Il sert à la fois de caméra pour mettre en évidence la forme de la molécule et aussi d’outil permettant l’injection d’électrons : avec une tension électrique appliquée par la pointe du microscope, la molécule acquiert un électron et change de forme pour devenir pyramidale. Le processus est complètement réversible : en appliquant une tension opposée, l’électron est retiré de la molécule et celle-ci retrouve sa forme plane et une charge neutre. Les chercheurs du CNRS ont effectué des mesures de l’état de charge de la molécule dans ces deux configurations en utilisant un microscope à force atomique et démontré ce lien étroit entre état de charge et forme géométrique de la molécule.

Ce commutateur ouvre la voie à de nombreuses applications dont la synthèse d’unités de mémoire élémentaires à l’échelle d’une molécule. Cette capacité de la molécule à piéger une charge et la restituer à la demande permet d’envisager le codage d’informations binaires. En plus de ces applications en électronique moléculaire, il est possible d’exploiter la transformation géométrique de la molécule pour fabriquer une machine moléculaire. Le contrôle du transfert de charge qui pilote la transformation géométrique permettrait par exemple la réalisation d’un moteur pas à pas.

Ce travail a été partiellement financé par la Commission européenne dans le cadre du projet ARTIST.

- En haut : Images obtenues par microscopie à effet tunnel illustrant la séquence de commutation réversible d'une molécule sur film mince isolant. - En bas : Schémas correspondants de la géométrie en fonction de l'état de charge de la molécule. A gauche, on distingue deux molécules carrées et planes neutres électriquement. Leur taille est d'environ 1 nanomètre. En positionnant la pointe du microscope au-dessus de la molécule de gauche et en appliquant une tension de 2V, la molécule se charge d'un électron supplémentaire entrainant un changement de conformation vers une géométrie pyramidale (image du centre). Cette commutation est totalement réversible : lorsque l'on applique la tension opposée, la molécule se décharge et retrouve son aspect initial (image de droite). © Cemes / CNRS

Références :

Controlling the Charge State of a Single Redox Molecular Switch, Thomas Leoni, Olivier Guillermet, Hermann Walch, Véronique Langlais, Andrew Scheuermann, Jacques Bonvoisin et Sébastien Gauthier – Physical Review Letters, 31 mai 2011

Source : communiqué de presse du CNRS