Le prix Kavli en nanosciences, décerné cette année à Jacob Sagiv, Ralph Nuzzo, David Allara et George Whitesides pour leurs travaux sur les monocouches auto-assemblées (SAM)¹, représente un moment pour célébrer les pionniers de notre domaine. Il est amusant de revenir sur les motivations et la vision des scientifiques qui ont fait des nanosciences le domaine florissant qu'elles sont aujourd'hui et comment leurs découvertes révolutionnaires ont vu le jour. Donc, avec la mise en garde que pour quatre personnes primées, il y a une armée d'autres chercheurs qui ont contribué, cet éditorial est un mini journal club, dans lequel nous avons relu les premiers articles sur les SAM de Sagiv, Nuzzo, Allara et Whitesides .

Pour le lecteur contemporain, la caractéristique la plus frappante de ces premiers articles sur les SAM est peut-être l'ingéniosité avec laquelle les scientifiques du début des années 80 ont pu faire des inférences sur le monde à l'échelle nanométrique. Loin dans le futur se trouve l'invention de la microscopie à force atomique pour la détermination précise de l'épaisseur d'une monocouche. Dans son article montrant que le n-octadécyltrichlorosilane (OTS) peut chimisorber sur SiO₂ surfaces lors de l'hydrolyse des liaisons Si – Cl en Si – OH, Sagiv a contre-vérifié l'épaisseur estimée de la monocouche obtenue par des mesures de conductivité à l'aide d'un système donneur-accepteur fluorescent co-chimisorbé avec OTS². Le donneur est directement adsorbé sur la surface alors que l'accepteur est à une distance de la même longueur de la molécule d'OTS. En mesurant l'extinction de la fluorescence du donneur, judicieusement comparée à un fluorophore à base de Cd connu, il a pu estimer la distance de l'accepteur et donc l'épaisseur de la monocouche. C'est comme mesurer le temps sans chronomètre !

Il était déjà clair dès le début que les SAM pouvaient être utilisés pour modifier les propriétés des surfaces de manière plus efficace et contrôlée qu'en utilisant un revêtement polymère. Le fait que les molécules soient orientées de manière ordonnée et largement prévisible était un outil puissant pour concevoir des surfaces oléophiles ou hydrophiles ; dont la qualité a été quantifiée par des mesures d'angle de contact^3,4. L'orientation du SAM pourrait être déterminée par absorption dichroïque, en observant que la lumière polarisée linéairement entrant sous un certain angle serait absorbée plus fortement, car elle s'aligne avec le dipôle électrique de la molécule adsorbée.

La spectroscopie vibrationnelle a permis à Nuzzo et Allara de comprendre que la chaîne alkyle de leurs composés disulfures organiques est complètement étendue dans une conformation en zig-zag hors de la surface de l'Au et que le groupe carbonyle du groupe terminal ester polaire est plutôt plus plat par rapport à l'Au. surface⁴.

Les premiers articles de Whitesides sur les SAM mettent toujours l'accent sur la simplicité de la technologie de modelage de surface. Leur configuration initiale faite maison reflète cette philosophie, car ils utilisent intelligemment un stylo Staedtler rempli d'encre hexadécanethiol fixé sur une platine micrométrique xy pour dessiner des lignes SAM.^5,6,7. Le fait qu'ils aient démontré qu'il était possible d'obtenir des caractéristiques d'environ 100 nm, plus petites que ce qui était alors possible par photolithographie, a permis à d'autres laboratoires et en particulier à des laboratoires de chimie peu habitués à travailler dans des conditions de salle blanche, d'expérimenter des SAM "pour des applications telles que prototypage de réseaux de microélectrodes et d'autres structures relativement simples »⁵. Whitesides a ensuite fabriqué des appareils électroniques organiques avec eux⁸.

Alors que la motivation initiale derrière le développement des SAM était d'améliorer la fabrication du film Blodgett-Langmuir avec une technique qui serait plus polyvalente et moins sujette aux erreurs, avec le temps, une vision bio-inspirée de ces monocouches est également devenue claire.

Il s'agit probablement de l'article de synthèse fondamental "Self-Assembled Monolayers of Thiolates on Metals as a Form of Nanotechnology" de 2005, rédigé entre autres par Nuzzo et Whitesides.⁹ qui, à partir de la leçon tirée des SAM, a exposé une vision qui a encore de profondes implications dans les nanosciences jusqu'à nos jours : citant, "les SAM démontrent que la conception, la synthèse et l'organisation à l'échelle moléculaire peuvent générer des propriétés et des fonctions de matériaux macroscopiques". Ce concept général selon lequel les processus d'auto-assemblage pontent le contrôle sur les échelles de longueur, du nano au macro, a son fondement et son inspiration dans les structures biologiques et il est central dans de nombreuses lignes de recherche contemporaines en nanosciences.

Lors d'une interview à l'occasion de la semaine du prix Kavli, qui s'est tenue début septembre à Oslo, en Norvège, Sagiv, Nuzzo et Whitesides ont parlé de leur travail sur les SAM. L'interview est disponible sur YouTube (https://www.youtube.com/watch?v=8jtTRraZg6M). De nombreux nanoscientifiques seraient directement liés à l'excitation qui se dégage encore de leurs paroles et, de manière frappante, au caractère interdisciplinaire de la recherche qui a germé du développement des SAM. En particulier, c'est un réel plaisir d'apprendre que si Sagiv était attiré par la perspective de manipuler les molécules une par une - un changement de paradigme par rapport à la chimie en solution enseignée à l'école - Nuzzo s'est lié aux systèmes bio-inspirés et aux façons dont les SAM peuvent être utilisé pour interagir avec des surfaces biologiques pour des applications biomédicales ; Whitesides a exprimé son optimisme quant à la possibilité que les SAM puissent offrir dans les environnements pauvres en ressources en tant que technologie bon marché pour les applications d'énergie et de détection.

Il va sans dire que les SAM sont l'un de ces concepts nanoscientifiques fondamentaux et omniprésents qui pourraient refaire surface à tout moment dans n'importe quel sous-domaine sous différentes formes. C'est pourquoi il est important pour les épris de petites choses de se familiariser avec les propriétés de ces molécules qui s'organisent en monocouches.