Visualisation de réactions chimiques à l’échelle atomique

 

Les chercheurs auraient-ils un petit coté voyeur que ça ne m’étonnerait pas plus que ça… En même temps, vouloir observer la matière au plus près pour visualiser au niveau atomique une réaction chimique est plus que compréhensible.

 

Les nanotubes sont des structures très étudiées de nos jours étant donné leurs étonnantes propriétés : résistance physique, conductivité thermique et électrique, encapsulation possible de petites molécules à l’intérieur puisqu’il est généralement considéré que l’intérieur des nanotubes tend à être chimiquement peu réactif.

 

Une équipe menée par les chercheurs Andrey Chuvilin et Ute Kaiser a axé son travail sur la visualisation d’atomes de dysprosium encapsulés dans des fullerènes en utilisant la microscopie par transmission d’électrons (TEM) légèrement modifiée. Ils utilisent en effet un protocole leur permettant de visualiser l’intérieur et l’extérieur du tube par application d’une tension d’accélération des électrons de 80kV.

Dans ces conditions, le faisceau d’électrons peut agir comme une source d’énergie déclenchant diverses transformations chimiques mais sans endommager le spécimen étudié.

 

Fig.1 : a) Modèle moléculaire de l’ion dysprosium Dy3+ encapsulé dans un fullerène chargé 3-. b) Fullerènes insérés dans un nanotube de carbone. c) Images par TEM. Les atomes de dysprosium sont visibles en tant que points noirs (sauf dans les deux premiers fullerènes).

 

Un atome de dysprosium a été incorporé dans un fullerène C82. Ces fullerènes peuvent entrer spontanément dans un fullerène pour former des chaînes moléculaires.

Lors de la visualisation et sous l’action du faisceau d’électrons, une étrange réaction a lieu : l’ouverture progressive d’un fullerène à l’endroit où se trouve le dysprosium, permettant la libération du métal. Les fullerènes ouverts peuvent alors se rejoindre et former au final une seule et même molécule : on obtient alors non plus un nanotube à simple paroi mais bien à double paroi (encore que cette paroi interne ne soit pas exempte de défauts).

 

Fig.2 : Images obtenues par TEM montrant l’ouverture progressive de deux fullerènes, suivie de leur fusion.

 

Il est possible que sous l’action du faisceau d’électrons, le dysprosium initialement chargé +3 passe dans un état de haute énergie +4 très réactif. Cet ion pourrait alors agir en tant qu’oxydant des fullerènes, provoquant leur ouverture.

 

Fig.3

 

Il a été montré que les atomes de dysprosium libéré dans le nanotube nouvellement formé avaient tendance à se regrouper en agrégats. Une fois que celui-ci a atteint une taille critique (de (5 à 8 atomes de dysprosium), il entraîne la formation de défauts dans la structure du nanotube, pouvant aller jusqu’à la rupture du nanotube en deux parties.

Les atomes de dysprosium tendent à rester en agrégat dans une partie du nanotube qui reste ouverte, tandis que l’autre se referme spontanément.

 

Fig. 4 : Après fusion des fullerènes, un nouveau nanotube est obtenu. a) Les atomes de dysprosium se regroupent en agrégats. b-c) L’agrégat est très réactif et les atomes de métal le constituants ne cesse de s’entrechoquer. c-d) Une fois que le cluster a atteint une taille critique, il interagit avec la surface du nanotube produisant une ouverture. e) Les paroi du nanotubes se rompent et l’agrégat se retrouve d’un coté du tube. f) Le nanotube ouvert se rebouche rapidement.

 

Ces découvertes permettent de remettre en cause le fait généralement de l’inertie de molécules ou d’atomes incorporés dans des fullerènes/nanotubes. Des applications pour la fonctionnalisation de la surface interne des nanotubes pourraient également voir le jour en se basant sur ces travaux.

 

 

Source : Chuvilin, A.; Khlobystov, A.N.; Obergfell, D.; Haluska, M.; Yang, S.; Roth, S.; Kaiser, U. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, DOI : 10.1002/anie.200902243