Une nouvelle technique de RMN pour étudier les surfaces

Publié par Redbran le 04/11/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Des chercheurs de l'UCCS (CNRS/Université de Lille), de l'AIST (Japon) et de l'entreprise Bruker Biospin ont mis au point une nouvelle technique de polarisation dynamique nucléaire. Retour sur ces résultats parus dans la revue JACS, pour une caractérisation précise et à l'échelle atomique de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.).


Transfert d'aimantation d'électrons non appariés vers les noyaux quadripolaires à la surface de matériaux pour augmenter leur signal RMN. © Hiroki Nagashima

Catalyse hétérogène, puces ADN, matériaux bio-compatibles ou composants pour la micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'électronique.): voilà autant d'exemples d'applications qui reposent sur des propriétés de surface. En pleine ère de miniaturisation technologique où les surfaces deviennent prépondérantes, connaître précisément leur structure et surtout les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...) ou molécules présents et leur agencement, souvent différent de celui rencontré au coeur du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...), est devenu un défi considérable. La spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son application la plus connue l'imagerie par résonance magnétique (IRM), est une technique d’analyse chimique et...), dite spectroscopie RMN, est une des techniques permettant de sonder la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux....) à l'échelle atomique en observant le magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits...) des noyaux situés au coeur des atomes.

Cependant, une limitation importante de la RMN est son manque de sensibilité, notamment pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) des surfaces qui ne représentent qu'une très faible fraction des atomes. Pour résoudre ce problème, une approche prometteuse consiste à aimanter les noyaux de surface en utilisant des électrons non appariés, qui sont plus magnétiques que les noyaux. Cette approche, baptisée polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer...) dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), a notamment été utilisée avec succès pour augmenter les signaux RMN des noyaux sphériques* situés à la surface des matériaux. Mais elle reste inefficace pour les noyaux non-sphériques, aussi appelés quadripolaires, qui représentent trois-quarts des noyaux. Ainsi, un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'éléments chimiques, tels que l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), le zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) ou le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.), restent difficiles à détecter.

Récemment, des chercheurs de l'UCCS (CNRS/Université de Lille), de l'AIST (Japon) et de l'entreprise Bruker Biospin ont levé ce verrou en mettant au point (Graphie) une approche qui permet de transférer efficacement l'aimantation des électrons aux noyaux quadripolaires via les protons de surface. Cette nouvelle technique de polarisation dynamique nucléaire leur a permis d'observer des noyaux 17O, 95Mo, 47,49Ti et 67Zn en surface. Ils ont ainsi pu identifier les sites acides de Brønsted de catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des...) à base d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de molybdène (Le molybdène est un élément chimique, de symbole Mo et de numéro atomique 42.) supporté sur TiO2, notamment utilisés pour les procédés de valorisation de la biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de...). Les chercheurs ont également pu déterminer la nature des phases présentes à la surface de nanoparticules d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) utilisées dans certains panneaux solaires ou écrans à cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.). Ces résultats, publiés dans JACS, ouvrent la voie vers la caractérisation précise et à l'échelle atomique de la surface de nombreux matériaux contenant des noyaux non visibles par RMN conventionnelle.

Note:
*dits de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa...) I = ½, tels que 13C, 15N ou 29Si.

Référence:
Hiroki Nagashima, Julien Trebosc, Yoshihiro Kon, Kazuhiko Sato, Olivier Lafon et Jean-Paul Amoureux Observation of low-γ quadrupolar nuclei by surface-enhanced NMR spectroscopy J. Am. Chem. Soc.,2020, 142, 10659.
https://dx.doi.org/10.1021/jacs.9b13838

Contacts:
- Olivier Lafon - Professeur à l'Unité de catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur,...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) du solide (UCCS) - olivier.lafon at univ-lille1.fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) pour la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...) - Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de chimie du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS - inc.communication at cnrs.fr
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