L'auto-assemblage moléculaire est actuellement l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour la fabrication de surfaces de nanostructures. La prochaine frontière dans la fabrication de nanodispositifs moléculaires est la capacité à contrôler dynamiquement les propriétés structure-fonction des nanostructures à la demande, et la formation réversible de liaisons hydrogène est un mécanisme répandu pour contrôler l'assemblage moléculaire dans les systèmes biologiques. Et les réseaux supramoléculaires bidimensionnels basés sur des interactions non covalentes (par exemple, la liaison H) construisent des nanostructures artificielles bien organisées et potentiellement commutables. Cependant, obtenir une réversibilité prévisible dans les matériaux bidimensionnels (2D) artificiels reste un défi majeur.
Le professeur Fernando P. Cometto et son équipe du Laboratoire de nanosciences moléculaires et de l'IPHYS de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ont récemment pu utiliser la microscopie à effet tunnel pour déclencher la commutation de réseaux 2D à liaisons hydrogène en utilisant un champ électrique externe (EEF) à l'interface solide/liquide. L'effet de commutation du champ électrique externe a été analysé en faisant varier systématiquement les interactions molécule-molécule (c'est-à-dire les forces de liaison hydrogène) ainsi que les interactions molécule-substrat à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité et de simulations de dynamique moléculaire. En ajustant la capacité de liaison hydrogène des éléments constitutifs ainsi que les propriétés et les charges du substrat, les propriétés de commutation ont été induites ou gelées et la sortie polymorphe finale du réseau 2D a été contrôlée. L'objectif est de fournir des informations sur la conception et le contrôle d'assemblages moléculaires réversibles dans des matériaux 2D, avec des applications prometteuses dans un large éventail de domaines tels que les capteurs et l'électronique.
Les résultats montrent que l'effet de commutation n'est pas intrinsèque mais lié à la perspective énergétique globale du système adsorbant/substrat dans différentes conditions expérimentales. Cette expérience examine l'importance des interactions de liaison H intermoléculaires pour le mécanisme de commutation en remplaçant les groupes -COOH (BTB en C3-Ald) par des groupes -CHO. Cette modification du groupe fonctionnel affaiblit les liaisons H intermoléculaires et empêche l'expression de motifs poreux à base de CHO, inhibant ainsi le passage de structures compactes stables à des réseaux poreux potentiellement instables. L'équipe a également découvert que la formation d'espèces polarisables est corrélée à la dynamique de la rotation du carboxylate et de l'échange de protons, une situation dynamique influencée par un champ électrique appliqué qui favorise la commutation de la molécule vers la structure la plus stable en fonction de la polarité de surface.
La cinétique de réaction commence par plusieurs processus d'échange d'hydrogène entre les groupes dimères-COOH et la rotation des groupes carboxyles se produisant
En résumé, ce travail fournit des informations sur la conception et le contrôle d'assemblages moléculaires réversibles dans des matériaux bidimensionnels, exploitant leurs applications potentielles dans un large éventail de domaines, notamment les capteurs et l'électronique.