Les découvertes de l'année
Franches connexions
On sait maintenant comment multiplier les liaisons à l'échelle minuscule.
par Joël Leblanc
Depuis une dizaine d'années, on nous promet l'avènement d’ordinateurs super-puissants tenant sur l'ongle d'un pouce et d’armées de mini-robots visitant le corps des cancéreux pour en détruire les tumeurs.
Ce sera l’âge des nanomachines, des engins construits atome par atome, si petits que l'électricité qui les animera devra circuler un électron à la fois, à la queue leu leu... Mais avant cela, il reste à contourner quelques obstacles de taille.
L’un d’entre eux vient d’être levé par une équipe du département de chimie de l'Université Laval. Mohamed Siaj, étudiant au doctorat, a mis au point une procédure chimique qui promet de révolutionner le monde de la micro-informatique. Les résultats de ses recherches ont été publiés dans la revue Science l'été dernier.
L'une des principales difficultés dans le domaine des nanotechnologies consiste à établir des connexions électriques précises et fonctionnelles entre les différents éléments d'un dispositif. Si, dans notre monde de géants, il est aisé de fixer un fil de cuivre sur un circuit imprimé à l'aide d'un fer à souder, la tâche est autrement plus ardue à très petite échelle.
Quelques procédés plus ou moins satisfaisants existent déjà. «Mais une méthode bien plus efficace vient d'être développée!» de lancer fièrement Peter McBreen, qui dirige la thèse de Mohamed Siaj.
Les atomes qui se trouvent sur une surface métallique ont la particularité d’être exposés à l’air libre et de ne pas former encore tous les liens possibles avec d'autres atomes, contrairement à ceux qui sont emprisonnés à l'intérieur du métal.
Une telle «disponibilité» augmente leur réactivité, c'est-à-dire leur aptitude à se lier à d'autres atomes. Celle-ci est exploitée pour accélérer de nombreuses réactions chimiques.
«Pour connecter une molécule de façon stable en un endroit précis à la surface d'un métal, explique Mohamed Siaj, la procédure la plus courante consiste à créer une liaison entre de l'or et une molécule dotée d'un groupement terminal thiol.» Un thiol, c'est un atome de soufre lié à un atome d'hydrogène.
Mais plutôt que de se lier à un seul atome d'or, le groupement thiol a la fâcheuse propriété de s'associer avec quelques atomes d'or adjacents. Autre inconvénient: la connexion n'est pas directe puisque, entre la surface d'or et la molécule ciblée, il existe un atome de soufre, un intermédiaire dont la conductivité électrique est loin d’être parfaite.
Mohamed Siaj a réussi à lier la molécule directement à la surface par une liaison double sur un seul atome de métal.
«À la place de l'or, j'utilise du carbure de molybdène, un métal conducteur qui ressemble un peu au plomb. Je traite d'abord cette surface de carbure avec du cyclopentanone, un composé notamment utilisé dans la fabrication de produits pharmaceutiques et de caoutchouc. Les molécules de cyclopentanone se fixent à certains des atomes de molybdène individuels par une double liaison et forment ce qu'on appelle des groupements cyclopentylidènes. La surface est maintenant prête. À partir de là, en l’exposant à différents réactifs, je peux remplacer les groupements cyclopentylidène par ceux de mon choix et construire la molécule que je veux à partir de cette double liaison», explique le jeune scientifique.
Fini l'intermédiaire soufré; fini la liaison multiple avec plusieurs atomes d'or; fini la liaison imparfaitement conductrice. Le branchement est localisé sur un seul atome qui conduit les électrons directement dans la molécule visée.
«C'est un peu comme si on éliminait une rallonge électrique de mauvaise qualité pour brancher un appareil directement dans le mur, explique Peter McBreen. En prime, cette liaison est extrêmement stable, même à des températures dépassant 900 delvins (627 °C)!»
Ces réactions qui permettent de remplacer les molécules initialement fixées au molybdène par une double liaison sont qualifiées de métathèse. C’est-à-dire qu'elles s'accomplissent avec des molécules elles-mêmes dotées d'une double liaison.
«Au cours d'une métathèse, explique Mohamed Siaj, dans chacune des deux molécules, deux atomes sont retenus par une double liaison, comme des danseurs qui se tiennent par les deux mains. Lorsque les molécules sont correctement placées, les «danseurs», tout en restant liés de l’autre «main», en libèrent chacun une et attrapent une «main» du «danseur» voisin, formant momentanément une ronde à quatre. Rapidement, la ronde se brise, et les nouveaux couples formés se rattrapent par des liaisons doubles.»
On a donc encore deux molécules, mais il y a eu changement des partenaires. Le fonctionnement de la métathèse a été expliqué en 1971 par le Français Yves Chauvin qui vient d’en être récompensé par le prix Nobel de chimie 2005.
En solution dans un bécher, si l’un des quatre partenaires est un atome de molybdène, la métathèse permet de transformer des molécules rapidement et assez facilement. Mais l’équipe de l’Université Laval a pour la première fois observé cette réaction sur un atome de molybdène fixé à une surface.
«La surface de carbure se comporte comme un arrangement d'atomes de métal isolés, précise l’étudiant. Exactement comme si les atomes étaient en solution.»
Ces travaux jettent donc un pont entre la chimie homogène et la chimie des surfaces, deux mondes bien distincts. Ils permettront d’expérimenter des méthodes et des instruments jusqu'à maintenant réservés à l'une des deux disciplines.
Un sacré coup d'accélérateur à la recherche dans le domaine de l'infiniment petit et de l'infiniment puissant.
Participez à notre concours:
Votez pour VOTRE découverte de l'année
par Joël Leblanc
Depuis une dizaine d'années, on nous promet l'avènement d’ordinateurs super-puissants tenant sur l'ongle d'un pouce et d’armées de mini-robots visitant le corps des cancéreux pour en détruire les tumeurs.
Ce sera l’âge des nanomachines, des engins construits atome par atome, si petits que l'électricité qui les animera devra circuler un électron à la fois, à la queue leu leu... Mais avant cela, il reste à contourner quelques obstacles de taille.
L’un d’entre eux vient d’être levé par une équipe du département de chimie de l'Université Laval. Mohamed Siaj, étudiant au doctorat, a mis au point une procédure chimique qui promet de révolutionner le monde de la micro-informatique. Les résultats de ses recherches ont été publiés dans la revue Science l'été dernier.
L'une des principales difficultés dans le domaine des nanotechnologies consiste à établir des connexions électriques précises et fonctionnelles entre les différents éléments d'un dispositif. Si, dans notre monde de géants, il est aisé de fixer un fil de cuivre sur un circuit imprimé à l'aide d'un fer à souder, la tâche est autrement plus ardue à très petite échelle.
Quelques procédés plus ou moins satisfaisants existent déjà. «Mais une méthode bien plus efficace vient d'être développée!» de lancer fièrement Peter McBreen, qui dirige la thèse de Mohamed Siaj.
Les atomes qui se trouvent sur une surface métallique ont la particularité d’être exposés à l’air libre et de ne pas former encore tous les liens possibles avec d'autres atomes, contrairement à ceux qui sont emprisonnés à l'intérieur du métal.
Une telle «disponibilité» augmente leur réactivité, c'est-à-dire leur aptitude à se lier à d'autres atomes. Celle-ci est exploitée pour accélérer de nombreuses réactions chimiques.
«Pour connecter une molécule de façon stable en un endroit précis à la surface d'un métal, explique Mohamed Siaj, la procédure la plus courante consiste à créer une liaison entre de l'or et une molécule dotée d'un groupement terminal thiol.» Un thiol, c'est un atome de soufre lié à un atome d'hydrogène.
Mais plutôt que de se lier à un seul atome d'or, le groupement thiol a la fâcheuse propriété de s'associer avec quelques atomes d'or adjacents. Autre inconvénient: la connexion n'est pas directe puisque, entre la surface d'or et la molécule ciblée, il existe un atome de soufre, un intermédiaire dont la conductivité électrique est loin d’être parfaite.
Mohamed Siaj a réussi à lier la molécule directement à la surface par une liaison double sur un seul atome de métal.
«À la place de l'or, j'utilise du carbure de molybdène, un métal conducteur qui ressemble un peu au plomb. Je traite d'abord cette surface de carbure avec du cyclopentanone, un composé notamment utilisé dans la fabrication de produits pharmaceutiques et de caoutchouc. Les molécules de cyclopentanone se fixent à certains des atomes de molybdène individuels par une double liaison et forment ce qu'on appelle des groupements cyclopentylidènes. La surface est maintenant prête. À partir de là, en l’exposant à différents réactifs, je peux remplacer les groupements cyclopentylidène par ceux de mon choix et construire la molécule que je veux à partir de cette double liaison», explique le jeune scientifique.
Fini l'intermédiaire soufré; fini la liaison multiple avec plusieurs atomes d'or; fini la liaison imparfaitement conductrice. Le branchement est localisé sur un seul atome qui conduit les électrons directement dans la molécule visée.
«C'est un peu comme si on éliminait une rallonge électrique de mauvaise qualité pour brancher un appareil directement dans le mur, explique Peter McBreen. En prime, cette liaison est extrêmement stable, même à des températures dépassant 900 delvins (627 °C)!»
Ces réactions qui permettent de remplacer les molécules initialement fixées au molybdène par une double liaison sont qualifiées de métathèse. C’est-à-dire qu'elles s'accomplissent avec des molécules elles-mêmes dotées d'une double liaison.
«Au cours d'une métathèse, explique Mohamed Siaj, dans chacune des deux molécules, deux atomes sont retenus par une double liaison, comme des danseurs qui se tiennent par les deux mains. Lorsque les molécules sont correctement placées, les «danseurs», tout en restant liés de l’autre «main», en libèrent chacun une et attrapent une «main» du «danseur» voisin, formant momentanément une ronde à quatre. Rapidement, la ronde se brise, et les nouveaux couples formés se rattrapent par des liaisons doubles.»
On a donc encore deux molécules, mais il y a eu changement des partenaires. Le fonctionnement de la métathèse a été expliqué en 1971 par le Français Yves Chauvin qui vient d’en être récompensé par le prix Nobel de chimie 2005.
En solution dans un bécher, si l’un des quatre partenaires est un atome de molybdène, la métathèse permet de transformer des molécules rapidement et assez facilement. Mais l’équipe de l’Université Laval a pour la première fois observé cette réaction sur un atome de molybdène fixé à une surface.
«La surface de carbure se comporte comme un arrangement d'atomes de métal isolés, précise l’étudiant. Exactement comme si les atomes étaient en solution.»
Ces travaux jettent donc un pont entre la chimie homogène et la chimie des surfaces, deux mondes bien distincts. Ils permettront d’expérimenter des méthodes et des instruments jusqu'à maintenant réservés à l'une des deux disciplines.
Un sacré coup d'accélérateur à la recherche dans le domaine de l'infiniment petit et de l'infiniment puissant.
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