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Les 10 découvertes de 2019

Découverte d’une forme de liaison intermoléculaire parmi les atomes lourds

09-01-2020

Cocristaux à base d’antimoine. Image: Filip Topic

En plus de transformer notre perception de la façon dont les molécules se combinent et s’organisent, cette découverte ouvrirait la porte à la conception de matériaux semi-conducteurs et électroniques plus résistants à l’humidité.

Une molécule est un assemblage d’atomes fortement soudés les uns aux autres. Deux atomes d’hydrogène fixés fermement à un atome d’oxygène forment une molécule d’eau : H2O. Mais il existe aussi des forces d’attraction entre les molécules. Dans le cas de l’eau, l’atome d’hydrogène d’une molécule est attiré par l’atome d’oxygène d’une autre. Loin d’avoir la force d’une soudure, ces liaisons hydrogène entre molécules sont plutôt comme des aimants de frigo et se comptent par trilliards dans une goutte.

Rassembleuses, les liaisons hydrogène peuvent réunir des molécules contenant des éléments légers : azote, fluor, oxygène… Mais les choses se compliquent avec les éléments lourds. Or, une autre forme de liaison intermoléculaire demeure peu explorée : les liaison halogène. Elles sont possibles avec les molécules renfermant du chlore, du brome ou de l’iode. Jusqu’à récemment, on ne les avait observées qu’en face d’atomes légers.

Souhaitant rapprocher des éléments plus lourds, Tomislav Friščić, professeur au Département de chimie de l’Université McGill, a plongé dans la 15e colonne du tableau périodique. Le phosphore, l’arsenic ou l’antimoine accepteraient-ils de serrer une main tendue par un atome d’iode ? Oui, comme l’a démontré son équipe de manière théorique et expérimentale en produisant ce qu’on appelle des cocristaux. Une réussite publiée en janvier 2019 dans la revue Nature Communications.

Pour provoquer l’attraction, les chercheurs ont eu recours à des chocs mécaniques. Ils ont placé les composés solides avec une bille de dioxyde de zirconium dans un récipient qu’ils ont ensuite mis dans un agitateur durant une vingtaine de minutes afin de broyer, moudre et mêler les substances. La poudre engendrée a aussitôt été analysée par cristallographie aux rayons X. « En quelques minutes, on a vu qu’on n’avait pas affaire à un simple mélange, mais à quelque chose de nouveau », explique Filip Topić, postdoctorant et coauteur de l’étude. Il a laissé le produit se dissoudre durant une journée dans de l’acétonitrile à température de la pièce pour qu’il forme un cristal. Passé à son tour sous les rayons X, celui-ci a révélé une structure composée… de cocristaux !

Les molécules étaient-elles simplement entassées et serrées les unes contre les autres ou avaient-elles réellement interagi ? C’est par une autre technique, la spectroscopie de Raman, que les chercheurs ont épié comment les liaisons se formaient. Les composés ont une fois de plus été broyés, moulus et mêlés, cette fois dans un récipient transparent devant un laser. « Les petits changements dans les signaux indiquent si des liaisons halogènes influencent activement le comportement des molécules », dit Tomislav Friščić. Et ce fut le cas en la présence d’antimoine, un élément poids lourd. « C’est la première fois qu’on crée une reconnaissance et une interaction entre des molécules parmi des éléments aussi lourds », s’enthousiasme le chercheur.

Des calculs et des modélisations par ordinateur ont permis de confirmer que les liaisons et la structure des cocristaux étaient fortes et stables.

En plus de transformer notre perception de la façon dont les molécules se combinent et s’organisent, Tomislav Friščić envisage la conception de matériaux semi-conducteurs et électroniques plus résistants à l’humidité. Car sans hydrogène parmi leurs constituants, il y aurait moins de risques que l’eau vienne y engendrer des liaisons dangereuses !

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Ont aussi participé à la découverte : Mihails Arhangelskis, Patrick A. Julien et Christopher W. Nickels, de l’Université McGill, ainsi que des chercheurs des universités de Zagreb et de Birmingham.

Une partie de l’équipe prépare l’étape d’agitation. Photo: Sandra Kaabel

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