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Chiralité moléculaire à deux dimensions

Juin 2008

Ce fait d’actualité est un article de revue sur les phénomènes de chiralité par N. Katsonis (CEMES), E. Lacaze (INSP) et B. Feringa (Université de Groningen)

Nous nous intéressons aux phénomènes de chiralité à deux dimensions, sur substrat cristallin. Dans ce cadre, en collaboration avec le Cemes de Toulouse et l’université de Groningen aux Pays-Bas, nous illustrons à partir de divers exemples comment la chiralité à deux dimensions est en grande partie gérée par les interactions molécule/substrat. Les couches organiques monomoléculaires auto-organisées sur substrat cristallin sont des systèmes auxquels les chercheurs s’intéressent depuis des années. Si les substrats sont bien choisis, ils peuvent être étudiés en condition ambiante (sans vide) et peuvent rester stables des heures, voire des jours. Ils sont intéressants en tant qu’objets 2D (gabarit pour une croissance ultérieure de nano-particules ; tamis moléculaire à 2D), mais également dans le but de faire croître des matériaux organiques à 3D bien ordonnés. Par ailleurs, les phénomènes de chiralité sont étudiés depuis longtemps, par exemple, pour leur potentiel à faire tourner la polarisation de la lumière.

Ces dernières années, dès que l’on a pu créer, en 2D, de grands domaines chiraux de plusieurs microns, même pour des molécules non chirales, un grand intérêt a été porté aux phénomènes de chiralité, lorsqu’ils s’appliquent aux monocouches adsorbées. Il devient maintenant important d’aborder l’origine de la chiralité dans cette géométrie adsorbée et de comprendre, en particulier, le rôle du substrat sous-jacent.

(a) Image de microscopie à effet tunnel (20nm x 20nm) d’une monocouche de 11CB (modèle développé en gris), adsorbée sur MoS2. Les deux images miroirs sont représentées séparées par une ligne rouge, avec l’escargot pour illustrer la question de chiralité. (b) Le modèle de la monocouche est à droite.

© N. Katsonis. CEMES

Sur l’ image de microscopie à effet tunnel, la monocouche de 11CB (modèle en gris) adsorbée sur substrat de molybdénite est un exemple de structure localement chirale. La présence des crans le long des rubans supprime la symétrie miroir (les deux structures miroirs sont séparées en rouge sur la figure et ne sont pas superposables). Ces crans sont liés à l’incommensurabilité de la structure par rapport au substrat sous-jacent et sont le fruit de la compétition des interactions molécule/substrat et intermoléculaires. Les interactions molécule/substrat sont ainsi à la base de beaucoup de transitions chirale/achirale. Elles produisent donc des variations notables de chiralité 2D quand on change de substrat, par exemple entre molybdénite, graphite ou or.

L’analyse des nombreux résultats obtenus sur ces systèmes de couches organiques adsorbées, en général par STM à l’interface liquide/solide, montre finalement que, sur graphite et sur or, les interactions molécules/substrat sont essentiellement gérées par les interactions au niveau des chaînes alkyles, alors que sur molybdénite, elles sont gérées pour les petites molécules de 2 à 3 nanomètres par la présence d’un moment dipolaire. Pour les mêmes molécules, cela crée des structures chirales sur graphite et achirales sur molybdénite. C’est lorsque la longueur des chaînes alkyles augmente qu’on observe finalement des structures chirales également sur molybdénite.

Pour en savoir plus :

J. Mater. Chem., 2008, 18, 2065 - 2073, Molecular chirality at fluid/solid interfaces : expression of asymmetry in self-organised monolayers Nathalie Katsonis, Emmanuelle Lacaze and Ben L. Feringa