Une réaction chimique aussi bonne que l’or

Une nouvelle étude menée par l’Australie révèle que les atomes d’or pourraient être la clé du déverrouillage des réactions biologiques.

Les biomolécules sont les éléments constitutifs des matériaux que nous utilisons tous les jours – de nos vêtements et tasses à café à nos écrans de téléphone. La maîtrise des réactions de ces biomolécules est essentielle pour concevoir des matériaux aux propriétés fonctionnelles.

Les réactions ciblant les liaisons carbone-hydrogène (CH) suscitent depuis longtemps un intérêt scientifique car presque toutes les molécules organiques contiennent ces liaisons. Dirigée par FLEET de l’Université Monash, une nouvelle étude (publiée cette semaine Journal de l’American Chemical Society) ont découvert que des atomes d’or individuels peuvent fournir une voie à faible énergie pour des réactions qui peuvent cibler des liaisons C-H spécifiques.

Le “Saint Graal” des réactions chimiques

“L’un des objectifs de FLEET est le développement de matériaux dont les propriétés électroniques peuvent être exploitées dans les technologies à faible puissance”, a expliqué l’auteur correspondant A/Professor Augustin Shifrin.

Les biomolécules peuvent servir de blocs de construction utiles pour la construction accordable de ces matériaux, à condition que les réactions entre les molécules puissent être contrôlées à l’échelle atomique.

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La liaison carbone-hydrogène est l’une des liaisons les plus courantes dans les molécules organiques. Pour cette raison, la capacité de cibler des liaisons CH spécifiques dans des réactions chimiques a été décrite par certains chercheurs comme le “Saint Graal”. Malheureusement, deux défis majeurs s’opposent aux réactions d’activation du CH :

  1. Difficulté à cibler une seule liaison spécifique pour la réaction (mauvaise sélectivité).
  2. Il faut beaucoup d’énergie pour rompre ces liaisons (énergie d’activation élevée).

Tout ce qui brûle…?

Les chercheurs de Monash ont découvert que Un seul atome d’or CH peut fournir une voie d’activation.

Les chercheurs ont attaché un petit nombre d’atomes d’or à la molécule organique 9,10-dicyanoanthracène (DCA) sur une surface atomiquement plane d’argent, Ag(111).

“Nous avons utilisé des techniques expérimentales à l’échelle atomique – la microscopie à effet tunnel et la microscopie à force atomique – pour imager et caractériser les échantillons”, a déclaré l’auteur principal Benjamin Low, étudiant au doctorat FLEET à Monash. “Ces techniques ont révélé des liaisons covalentes inhabituelles entre l’atome de carbone et l’atome d’or de la molécule DCA.”

La formation de telles liaisons covalentes suggérait que certaines liaisons CH devaient d’abord être rompues. En collaboration avec des collaborateurs théoriques de l’Académie tchèque des sciences, les chercheurs ont découvert une voie de réaction qui suggère qu’un intermédiaire métallo-organique formé par un seul atome d’or avec une paire de molécules DCA peut favoriser la dissociation d’une telle réaction.

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Notamment, la voie de réaction découverte ne peut expliquer que la rupture CH d’une liaison CH spécifique. Les chercheurs ont constaté une réduction spectaculaire de l’énergie nécessaire pour rompre ces liaisons C-H spécifiques (Inhibition de l’activation), permettant à la réaction de se produire à température ambiante.

« Cette étude aborde directement deux des plus grands défis, à savoir la faible sélectivité et les barrières d’activation élevées, qui limitent le clivage spécifique des liaisons CH dans les biomolécules », a déclaré Augustine Shiffrin, chercheuse principale de FLEET. “Notre approche pourrait potentiellement ouvrir la porte à la synthèse de nouveaux nanomatériaux organiques et métallo-organiques aux propriétés utiles pour l’électronique, l’optoélectronique, la détection, la catalyse, etc.”

Et alors?

En raison du grand intérêt pour la réaction des biomolécules dans divers domaines, cette réaction prometteuse a de nombreuses applications potentielles telles que la préparation de polymères et la modification de produits pharmaceutiques.

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Chez FLEET, les chercheurs espèrent exploiter cette réaction sélective et efficace pour créer des matériaux atomiquement minces avec des propriétés électroniques souhaitables.

La recherche a été dirigée par l’École de physique et d’astronomie de l’Université Monash, avec des co-auteurs de l’Académie des sciences de la République tchèque et de l’Institut de physique de l’Université Palacky en République tchèque.

Outre le soutien de l’Australian Research Council (Centre of Excellence and Future Fellowship Program), les auteurs sont soutenus par l’Académie tchèque des sciences et la Fondation tchèque des sciences (Premium Academy) et le ministère de l’Éducation, de la Jeunesse et des Sports de la République tchèque (E-Infrastructura CZ).

Benjamin Lowe dirige des recherches dans le groupe du professeur Augustine Shiffrin à l’Université Monash, qui étudie les propriétés électroniques des matériaux organiques et métallo-organiques à l’échelle atomique.

En utilisant des techniques de pointe de synthèse de nanomatériaux et de microscopie à sonde à balayage à l’Université Monash, le groupe travaille à la synthèse de nouveaux matériaux pouvant être utilisés dans des dispositifs électroniques à très faible consommation.

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