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Ils mesurent la force nécessaire pour activer un interrupteur moléculaire !

Industrie et Technologies
Par microscopie à force atomique, la force nécessaire au basculement ouvert-fermé d'un interrupteur moléculaire vient d'être mesurée. Ces travaux ont été réalisés au Centre d'élaboration de matér

Le zepto Joule, vous connaissez ? C'est 10 puissance -21 Joule et c'est l'ordre de grandeur de l'énergie nécessaire au basculement ouvert-fermé d'un interrupteur moléculaire constitué d'une seule molécule.

Cette mesure a été réalisée en utilisant un microscope à force atomique. Pour assurer la commutation, les chercheurs ont uniquement joué sur le changement de conformation d'une liaison chimique provoqué par la pointe du microscope.

Ces travaux ont été effectués par le groupe nanosciences du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Cemes-CNRS, Toulouse) associé au département de physique fondamentale de l'Université de Bâle et d'IBM Zurich. Ils s'inscrivent dans la perspective d'une électronique moléculaire où chaque transistor sera remplacé par une seule molécule.

Pour assurer la commutation, les chercheurs ont uniquement joué sur le changement de conformation d'une liaison chimique provoqué par la pointe du microscope. L'énergie correspondant au basculement de l'interrupteur moléculaire est ainsi 10 000 fois plus faible que pour un transistor de la microélectronique. Ces travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Letters du 14 février 2003.

Il y a deux ans, le groupe de physique de l'Université libre de Berlin, en collaboration avec le groupe nanosciences du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Cemes-CNRS, Toulouse), avait déjà mis au point un interrupteur moléculaire sur une molécule cyclique de porphyrine substituée par 4 groupements dibutyl-phényl.

De ces 4 pieds moléculaires, 3 ont servi à former un trépied stable pour la porphyrine. Les chercheurs ont alors déposé la molécule sur une surface de cuivre servant d'électrode de contact. Pour obtenir un commutateur moléculaire, il ne leur restait plus qu'à créer un effet de basculement intramoléculaire, en appliquant sur le groupe restant la pointe d'un microscope à effet tunnel.

La nouvelle étape, présentée dans Physical Review Letters, a permis d'évaluer l'énergie de commutation consommée par ce nouveau composant électronique. Une mesure encore jamais réalisée et effectuée grâce à une nouvelle version de microscope à force atomique dans l'ultra-vide, en collaboration avec le groupe d'IBM Zurich.

Les chercheurs ont travaillé en fixant une oscillation permanente du bras de levier au dessus du phényl et en enregistrant les variations de fréquence de ce bras de levier en fonction de la position verticale de la pointe. L'interaction entre la pointe du microscope et la surface de la molécule a ainsi provoqué le basculement du phényl et permis de déduire la force mise en jeu dans le basculement.

L'équipe toulousaine du CNRS a alors modélisé l'expérience sur ordinateur et calculé l'énergie de commutation correspondant à la force mesurée. Celle-ci a été évaluée à 47 zeptoJoules (47 x 10 puissance Joule), une valeur plus faible que l'énergie de rotation théorique d'une liaison carbone-carbone!

 La modélisation moléculaire a résolu cette énigme, en montrant que le basculement du phényl est précédé d'une déformation de l'ensemble de la molécule due à la pointe qui limite la quantité d'énergie nécessaire à ce basculement.

Michel Le Toullec

Pour en savoir plus
- site du Cemes : www.cemes.fr
- site de Physical Review Letters http://prl.aps.org/

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