Les chercheurs ont utilisé la spectroscopie neutronique pour découvrir le mouvement unique de la triphénylphosphine sur le graphite, semblable à celui d'un atterrisseur lunaire, faisant ainsi progresser notre compréhension du mouvement moléculaire et de ses applications dans la science des matériaux. Crédit : TU Graz
Aperçu à l'échelle nanométrique du mouvement moléculaire sur les surfaces.
Les chercheurs ont utilisé les données de spectroscopie neutronique de l'ILL pour obtenir des informations révolutionnaires sur le mouvement moléculaire au niveau du à l'échelle nanométrique, offrant de nouvelles perspectives qui pourraient influencer le développement des futurs matériaux et technologies. L'étude a été récemment publiée dans la revue Chimie des communications.
Depuis des années, les scientifiques sont intrigués par la façon dont les molécules se déplacent sur les surfaces. Le processus est essentiel à de nombreuses applications, notamment la catalyse et la fabrication de dispositifs à l'échelle nanométrique.
Désormais, à l'aide d'expériences de spectroscopie neutronique réalisées à l'Institut Laue-Langevin (ILL) et de modèles théoriques avancés et de simulations informatiques, une équipe dirigée par Anton Tamtögl, de l'Université de technologie de Graz, a dévoilé le mouvement unique de la triphénylphosphine (PPh3) molécules sur des surfaces de graphite, un comportement semblable à celui d'un lunaire nanoscopique.
En fait, PPh3 les molécules présentent une forme de mouvement remarquable, roulant et se traduisant d’une manière qui remet en question les compréhensions antérieures. Ce mouvement de type lunaire semble être facilité par leur géométrie unique et leur liaison en trois points avec la surface.
« Plonger dans le monde complexe du mouvement moléculaire sur les surfaces de graphite a été un voyage passionnant », révèle Anton Tamtögl, ajoutant : « Les mesures et la simulation ont dévoilé un mouvement et une « danse » sophistiqués des molécules, nous offrant une compréhension plus approfondie de la dynamique de surface. et ouvrir de nouveaux horizons pour la science des matériaux et la nanotechnologie.
Vidéo illustrant le mouvement d'une seule molécule de triphénylphosphine sur du graphite en vue de dessus, extraite d'une simulation de dynamique moléculaire à une température de 300 K. Crédit : TU Graz
Le rôle de la triphénylphosphine dans l'industrie
La triphénylphosphine est une molécule importante pour la synthèse de composés organiques et de nanoparticules ayant de nombreuses applications industrielles. La molécule présente une géométrie particulière : PPh3 est pyramidal avec un arrangement en forme d'hélice de ses trois groupes d'atomes cycliques (voir image).
Les neutrons offrent des possibilités uniques dans l'étude de la structure et de la dynamique des matériaux. Dans une expérience typique, les neutrons diffusés par l'échantillon sont mesurés en fonction du changement de leur direction et de leur énergie. En raison de leur faible énergie, les neutrons constituent une excellente sonde pour étudier les excitations de faible énergie telles que les rotations moléculaires et la diffusion. Des mesures de spectroscopie neutronique ont été effectuées chez ILL Instruments IN5 (spectomètre TOF) et IN11 (spectomètre à écho de spin neutronique).
Illustration montrant une seule molécule de triphénylphosphine sur du graphite. Crédit : TU Graz
« C'est étonnant de voir à quel point les puissants spectromètres de l'ILL nous permettent de suivre la dynamique de ces systèmes moléculaires fascinants même si la quantité d'échantillon est infime », déclare Peter Fouquet, scientifique à l'ILL, expliquant que « les faisceaux de neutrons ne détruisent pas ces échantillons sensibles et permettent de une comparaison parfaite avec les simulations informatiques.
L'étude montre que PPh3 les molécules interagissent avec la surface du graphite d'une manière qui leur permet de se déplacer avec des barrières énergétiques étonnamment faibles. Le mouvement est caractérisé par des rotations et des traductions (sauts) des molécules. Alors que les rotations et les mouvements intramoléculaires dominent jusqu'à environ 300 K, les molécules suivent un mouvement de translation supplémentaire sur la surface de 350 à 500 K.
Comprendre les mécanismes détaillés du mouvement moléculaire à l’échelle nanométrique ouvre de nouvelles voies pour la fabrication de matériaux avancés dotés de propriétés adaptées. Au-delà de l’intérêt fondamental, le mouvement des PPh3 et les composés associés sur les surfaces en graphite revêtent une grande importance pour les applications.
