STM web ».

Commentaires sur les images de la présentation powerpoint
« STM web ».
Introduction
Lorsque j’étais moi-même étudiant au Lycée Cantonal de Porrentruy, j’avais appris
qu’il n’était pas possible de voir les atomes ou les molécules. L’invention du
microscope à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy, STM) par Binnig et
Rohrer en 1982 a révolutionné ceci, et des images d’atomes ou de molécules ont pu
être obtenues.
La présentation « Workshop CRC 2003 WEB » montre des images d’alcanes et de
leur dérivés, adsorbés sur du graphite.
Comment ça marche ?
Les molécules dont ont veut obtenir une image sont dissoutes dans un solvant
approprié. Une goutte de la solution est déposée sur du graphite de très bonne qualité
(graphite HOPG, highly ordered pyrolytic graphite). Spontanément, des molécules
vont s’adsorber sur le graphite et former une monocouche. Cette monocouche est
suffisamment stable pour être observée au microscope à effet tunnel.
Comment se fait-il que la monocouche soit stable ?
1) La monocouche est stabilisée par l’interaction de deux forces :
-
force d’attraction entre le graphite et les molécules
-
force d’attraction entre les molécules elles-même. Plus cette force est
importante, plus le film formé est stable et facile à observer au microscope
STM.
2) La distance entre les atomes de carbone des molécules d’alcanes convient à la
structure de graphite : les groupement CH2 des alcanes se logent presque
parfaitement au centre des hexagones du graphite.
Quel est le solvant utilisé ?
On utilise généralement du phényloctane, car il ne s’adsorbe pas sur le graphite (ou
alors pas assez longtemps pour être observable par le microscope STM). En effet, la
forme particulière de la molécule de phényloctane ne lui permet pas de former une
monocouche stable (problème d’encombrement stérique : les molécules de
phényloctane n’arrivent pas à s’approcher suffisamment les unes des autres pour
optimiser leur force d’attraction).
Quelle est l’utilité de ces images ?
1) Les molécules se disposent sur le graphite afin d’optimiser les forces
intermoléculaires. En d’autres mots : les monocouches observées permettent de
comprendre ou de se visualiser les forces intermoléculaires impliquées. Par
exemple, la monocouche formée d’acides gras non-substitués montre clairement
que les molécules se sont assemblées en dimères. Dans un dimère, les molécules
sont connectées par leur groupement -COOH grâce au ponts hydrogène.
2) L’utilisation de “groupements chimiques marqueurs” (par exemple des atomes de
brome ou des fonctions acides carboxyliques -COOH, qui présentent un contraste
inhabituel dans les images STM par rapport au reste de la molécule) permet de
déterminer précisément la position et l’orientation absolue des molécules
adsorbées. Ainsi, la chiralité absolue des molécules et la conformation d’un
groupement chimique particulier peut facilement être obtenue.
On touche ici à un avantage essentiel de cette technique : la microscopie à effet
tunnel est la technique la plus simple pour comprendre ou visualiser
l’arrangement des atomes dans une molécule. Les images sont directement
interprétables par un lycéen. Aucune autre technique de spectroscopie ne
permet d’interpréter aussi facilement le spectre obtenu. Les spectres RMN, IR,
etc. nécessitent de solides connaissances avant de pouvoir être interprétés et sont
donc incompréhensibles pour un lycéen.
Attention : Un modèle atomique (l’idéal : un modèle compact, appelé aussi
modèle CPK) permet aux étudiants de mieux interpréter les images et de mieux
comprendre pourquoi certaines conformations sont plus stables que d’autres.
Un STM est-il difficile à manipuler ?
Non ! Le STM utilisé pour obtenir les images de cette présentation travaille à
température ambiante et à pression ambiante. L’appareil est gros comme un
pamplemousse. Pour éviter les vibrations du sol, il est suspendu par de simples
élastiques (de porte-bagages de vélos) et est disposé à la cave.
Quel est l’objectif de la recherche universitaire ?
Les connaissances acquises sur les motifs formés par la SAM et sur les forces qui les
régissent ouvrent de nouvelles perspectives pour le design et l’élaboration de films
organiques fins. Comprendre les forces qui dirigent l’auto-assemblage des molécules
adsorbées à l’interface solide-liquide constitue un premier pas vers le contrôle et la
manipulation de ces monocouches. Cela constitue une étape importante dans le
développement des outils électriques et mécaniques des générations futures.
Ou trouver des renseignements supplémentaires ?
Littérature scientifique :
Leanna C. Giancarlo, Hongbin Fang, Luis Avila, Leonard W. Fine, and George W.
Flynn, « Molecular Photography in the Undergraduate Laboratory : Identification of
Functional Groups Using Scanning Tunneling Microscopy », J. Chem. Ed., 77, 66-71
(2000)
L.C. Giancarlo and G. W. Flynn, "Raising Flags: Applications of Chemical Marker
Groups to Study Self-Assembly, Chiralty, and Orientation of Interfacial Films by
Scanning Tunneling Microscopy", Accounts of Chemical Research, 33, 491-501
(2000). Cet article peut être visualisé gratuitement sur le site Internet décrit cidessous.
Site Internet :
http://www.columbia.edu/cu/chemistry/groups/flynn
Vous pouvez également me contacter : [email protected]