Implantation d'une equipe "Photonique et Molécules aux Interfaces" en Chimie a l'Ecole Polytechnique – EBCX

L’objectif global du projet est l’implantation d’une équipe de recherche sur le campus Paris-Saclay, dans le LCM de l’Ecole polytechnique. Le projet se concentre sur deux principaux axes scientifiques : Dynamique ultrarapide et spectroscopie de l’interface solide-liquide et Conductivité à l’échelle de la molécule unique. Ces thèmes se situent aux frontières de plusieurs disciplines fondamentales, tout en ayant des implications technologiques et pratiques.

Dynamique ultrarapide et spectroscopie de l’interface solide-liquide exploite le savoir faire du groupe en optique non-linéaire et laser, ainsi que ses connaissances des surfaces et interfaces, pour répondre à des questions importantes telles que la structure, dynamique et réactivité de ces milieux en employant des outils spectroscopiques spécifiques aux interfaces : Génération de Fréquence Somme (GFS) et Génération de Seconde Harmonique (GSH).

Nous explorerons des interfaces chargées, soit des minerais oxydés, par exemple SiO2 ou Al2O3, soit des électrodes métalliques, en contact avec l’eau. L’état de charge en surface des électrodes métalliques est aisément contrôlé en appliquant un potentiel externe. De cette façon, la surface peut être rendue positive, négative ou neutre par un simple contôle électrique. En comparaison, il faut changer la composition de l’électrolyte (par ex. le pH) pour faire varier l’état de charge d’une interface entre un minerai oxydé et l’eau.

Nos expériences sonderont les interfaces de manière spécifique afin de comprendre la chimie acide-base des interfaces des minerais oxydés, dont l’état de charge est contrôlé par l’interaction de l’électrolyte avec les groupements hydroxyles amphotères liés aux sites métalliques (M-OH). Nous interrogerons la bande de combinaison (« stretch + bend ») du spectre qui nous permettra de distinguer le groupement M-OH du H-OH de l’eau. Cette chimie acide-base contrôle des processus tels que la dissolution des minerais et l’adsorption et le transport des ions de métaux lourds dans les nappes phréatiques. Nos expériences suivront la relaxation ultrarapide de l’énergie vibrationnelle d’élongation OH et nous renseigneront sur les liaisons hydrogènes aux interfaces aqueuses. Quand les deux types d’interface sont chargées, il y a des différences notables, par ex. le degré de localisation de la charge. Donc un comportement distinct est attendu.

Conductivité à l’échelle de la molécule unique Les phénomènes de conductivité moléculaires sont à la base de processus biochimiques (photosynthèse) et ouvrent des perspectives de miniaturisation des composantes électroniques. L’enjeu global est de comprendre les mécanismes de transport de charge, afin de le contrôler soit par l’architecture de la molécule soit par des perturbations externes. L’objectif à long terme est de développer des structures hybrides qui utiliseront des molécules comme éléments actifs dans des dispositifs de commutation/capteurs chimiques.

Nos développements récents permettent de contrôler l’orientation de molécules uniques afin de sonder l’anisotropie du transport de charge. Au delà, notre hypothèse est qu’il sera possible de provoquer des changements d’orientation moléculaire et par ce biais moduler la conductivité de la jonction. Nos efforts initiaux se porteront sur de simples dérivés du benzène, dotés de groupements donneurs ou accepteurs dont certains sont aussi utilisés pour l’ancrage sur la surface.

Nous explorerons l’effet de l’environnent sur la modulation du transport de charge, motivés par notre récente mise en évidence de phénomènes d’interruption de la conductivité de molécules uniques par le pH. Précisément, nous évaluerons les effets de polarité et viscosité du solvant sur des molécules dont on sait que les propriétés électroniques sont sensibles à ces facteurs. Notre hypothèse est que les propriétés de transport de charge sont influencées par les états électroniques de la molécule, surtout les orbitales frontières.