Sur une surface inerte de silicium, une même molécule peut conduire à plusieurs formes cristallines. Pour certaines molécules, le cristal le plus stable, qui présente le plus grand nombre de liaisons chimiques entre molécules, est aussi celui qui correspond à une phase peu dense. Ce résultat contre-intuitif a été obtenu par des chercheurs de l’IEMN et de l’Institut Femto-ST en combinant observations au microscope à effet-tunnel et simulations numériques. Publié dans Physical Review Letters, il démontre l’influence de la surface sur le contrôle du degré de compacité et de coordination des réseaux moléculaires.
"Un des enjeux majeurs de secteurs comme l’électronique moléculaire et l’industrie pharmaceutique"
Les molécules organiques sont connues pour s’assembler et donner des cristaux dont les propriétés physiques et chimiques sont intimement liées à l’arrangement des molécules dans le cristal. La compréhension des phénomènes de cristallisation, qui entraînent la formation préférentielle d’un cristal par rapport à un autre, est un des enjeux majeurs de secteurs comme l’électronique moléculaire et l’industrie pharmaceutique (où l’agencement peut modifier le goût ou la solubilité d’un médicament). Généralement, dans un cristal moléculaire à trois dimensions, le nombre d’interactions entre molécules croît avec la densité de molécules. C’est également ce que l’on observe dans la vie courante, par exemple dans le métro, où les interactions (ou contacts) augmentent avec la densité des personnes aux heures de pointe.
Dans cette étude, les chercheurs de l’Institut d’électronique, de microélectronique et des nanotechnologies (IEMN, CNRS/Université Lille 1/Université de Valenciennes/ISEN Lille/Ecole Centrale de Lille) et de l’Institut Femto-ST (CNRS/Université de Franche- Comté/Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechnologies de Besançon) ont voulu vérifier si ce principe était également valable dans un plan moléculaire unique, à deux dimensions.
La technique
Ils ont réalisé des observations moléculaires par microscopie à effet tunnel (technique capable d’imager une seule molécule) sur des surfaces de silicium constituant un plan moléculaire unique. Ils montrent que, pour certaines molécules, le plan le plus stable consiste en une phase peu dense, qui présente plus d’interactions entre les molécules que dans la phase la plus dense. Pour comprendre l’origine de ce phénomène contre-intuitif, les chercheurs ont développé un code de simulation numérique prenant en compte les interactions entre molécules mais aussi les interactions avec la surface sur laquelle le cristal est fabriqué. Cette modélisation a mis en évidence que la surface du support contribue de manière non négligeable dans l’émergence d’un cristal en particulier.
(Communiqué de FEMTO-ST)
