Les avancées technologiques actuelles, notamment dans le domaine de l'électronique moléculaire et des biotechnologies, exigent des composants de plus en plus petits et des méthodes de fonctionnalisation de surface toujours plus précises et efficaces. La miniaturisation des dispositifs électroniques atteint ses limites avec les techniques conventionnelles, stimulant la recherche de nouvelles approches. Parmi ces dernières, l'ancrage de molécules nanométriques sur des surfaces solides est devenu un enjeu majeur, ouvrant la voie à des systèmes "tout moléculaire" ou "hybrides" combinant silicium et molécules organiques. Ces dispositifs innovants nécessitent des techniques de greffage fiables pour immobiliser des molécules d'intérêt sur divers substrats inorganiques.
Historiquement, le greffage de molécules sur des surfaces inorganiques est un domaine en pleine expansion depuis une dizaine d'années. De nombreuses techniques, directes ou indirectes, ont été développées pour modifier des substrats tels que l'or, la silice (SiO2), le silicium, le graphite ou le platine. Dans l'électronique, les surfaces de silicium sont fréquemment recouvertes d'une couche d'oxyde aux propriétés isolantes. Cependant, le greffage direct sur silicium présente des avantages significatifs, notamment en évitant l'élargissement des dimensions du dispositif et en prévenant l'effet d'écran que la couche d'oxyde pourrait exercer sur les molécules et le silicium semi-conducteur.
Les Défis du Greffage sur Silicium et les Solutions Innovantes
Le greffage direct sur silicium, bien qu'avantageux, soulève des défis spécifiques. Plusieurs méthodes ont été proposées pour surmonter ces difficultés, chacune avec ses propres protocoles et rendements.
Méthodes Indirectes de Fonctionnalisation du Silicium
Certains chercheurs ont exploré des méthodes indirectes impliquant plusieurs étapes pour préparer la surface avant le greffage final.
La Méthode Menzel et al. : L'Intermédiaire Espaceur
Menzel H. et al. (Langmuir, 1997, 13(4), 723-728) ont proposé une méthode de modification d'une surface de silicium utilisant un espaceur pour greffer du polyglutamate. Cette approche débute par un nettoyage de la surface qui génère des liaisons Si-OH superficielles. Un bromoalcane trichlorosilylé, servant d'espaceur, est ensuite ancré via des liaisons Si-O-Si avec la surface. Des azotures sont substitués aux atomes de brome en traitant la surface avec une solution de NaN3, puis réduits par LiAlH4 pour obtenir une surface hydrosilylée recouverte d'aminoalcanes. Le N-carboxyanhydride benzylglutamate est finalement greffé par réaction avec les groupements NH2 terminaux de la surface. Le taux de recouvrement estimé pour cette méthode se situe entre 20 et 40 %.
La Méthode Effenberger et al. : Des Groupes Hydroxyle et une Activité Électrophile
Effenberger F. et al. (Langmuir, 2004, 20(24), 10375-10378) ont décrit une méthode où la surface de silicium est modifiée pour créer des groupes hydroxyle libres. Ces groupes réagissent ensuite avec des trichlorosilanes. La méthode est illustrée par le greffage d'esters à longue chaîne stables dans les conditions de réaction. Les esters sont ensuite réduits en alcool, puis, après réaction avec du phosgène, les chloroformâtes correspondants sont obtenus. Une substitution du chlore en présence de NaN3 conduit au Pazidoformate correspondant. L'exposition aux radiations UV de cette surface élimine l'azote, formant une surface terminée par un carbamate. Une modification ultérieure peut être une substitution nucléophile sur le carbamate électrophile par une molécule aminée. Ce protocole, bien que proche de celui de Menzel H. et al., est délicat à mettre en œuvre en raison de l'utilisation de phosgène et du nombre important d'étapes. De plus, la fonctionnalisation proposée, bien que pouvant aboutir à deux résultats différents, ne permet pas de greffer des molécules très variées en dehors des aminés. Le taux de recouvrement estimé est de 73 à 78 %.
Les Procédés Thermiques et la Substitution des Atomes d'Hydrogène
Sudhôlter E. J. R. et al. (Langmuir, 2005, 15(23), 8288-8291) ont proposé une méthode thermique de fonctionnalisation de surface avec de l'hexadécène. Cependant, les conditions opératoires, particulièrement la haute température, nécessitent l'utilisation de solvants spécifiques et ne sont pas compatibles avec des groupements labiles ou instables, limitant les perspectives de cette méthode.Les auteurs évoquent également un second procédé où la surface de silicium natif est modifiée par substitution des atomes d'hydrogène par des atomes de chlore ou de brome. La surface modifiée est ensuite obtenue par réaction avec un organomagnésien ou un organolithien. Les taux de recouvrement ne sont pas indiqués pour cette méthode.
Méthodes Directes de Greffage sur Silicium
Le greffage direct simplifie le processus en réduisant le nombre d'étapes et potentiellement en augmentant l'efficacité.
Greffage par Irradiation UV : L'Acide Undécènoïque et l'ADN
Wayner D. D. M. et al. (Langmuir, 2004, 20(26) 11713-11720) ont démontré la possibilité de greffer l'acide undécènoïque sur une surface de silicium sous irradiation UV pour immobiliser des molécules d'ADN. La surface, ainsi terminée par une fonction acide carboxylique, est activée à l'aide de la N-hydroxysuccinimide (NHS) en présence de N-éthyl-N'-(3-diméthylamino-propyl) carbodiimide. Cette surface activée réagit ensuite avec un ADN simple brin portant un groupe 5'-dodécylamine. Le taux de recouvrement n'est pas spécifié par les auteurs.
Fonctionnalisation avec des Molécules de Thiophène
He J. et al. (Chem. Phys. Lett, 1998, 286, 508-514) décrivent une méthode de fonctionnalisation où des molécules de thiophène sont greffées sur une surface de Si (111). Le processus commence par une réaction de bromation avec de la N-bromosuccinimide ou du bromochloroforme, en utilisant du benzoylperoxide comme initiateur radicalaire, pour obtenir une surface réactive avec des liaisons Si-Br superficielles. Une réaction d'alkylation entre ces liaisons superficielles et un organolithien (le thiophène lithié) permet ensuite d'immobiliser le thiophène sur le silicium par l'intermédiaire d'une liaison Si-C.
Réaction de Chlorure d'Acide sur Silicium Activé
Linford et al. (Langmuir, 2005, 2093-2097) ont étudié la réaction de chlorures d'acide à longue chaîne sur des surfaces de silicium activées ("scribed silicon"). Ils ont montré que ces chlorures d'acide réagissent directement avec les surfaces de silicium pour conduire à leur alkylation. Cependant, des réactions secondaires formant des produits du type Si-C(O)-R ou Si-O-C(O)-R peuvent également se produire. Les conditions opératoires sont cruciales dans cette procédure, et le taux de recouvrement est estimé entre 20 et 60 %. Les molécules d'intérêt sont greffées de manière aléatoire selon cette méthode.
La "Click Chemistry" : Une Révolution dans le Greffage de Surface
Face à la complexité et aux rendements parfois moyens des méthodes existantes, les inventeurs ont cherché à développer une méthode de greffage de molécules d'intérêt sur des surfaces inorganiques qui soit à la fois efficace et facile à mettre en œuvre. L'avènement de la "click chemistry", largement définie par Sharpless K. B. et al. (Angew. Chem. Int. Ed., 2001, 40, 2004-2021 et 2001, 40, 2100-2102), a offert une solution prometteuse.
Principes et Avantages de la "Click Chemistry"
La "click chemistry" regroupe des réactions conduisant à la formation d'au moins une liaison covalente entre un atome de carbone et un hétéroatome dans des conditions opératoires simples. Un des avantages majeurs est que la présence d'eau ou d'oxygène n'a généralement pas d'influence sur le déroulement de la réaction. Ces réactions peuvent s'effectuer sans solvant, ou en présence de solvants non polluants (comme l'eau) ou facilement éliminables. Le produit désiré est facilement isolable avec de bons rendements et sans formation de sous-produits gênants. Ces réactions ont généralement une force motrice supérieure à 20 kcal.mol⁻¹.La "click chemistry" est particulièrement adaptée à la fonctionnalisation de molécules biologiques en raison de ses conditions opératoires douces (par exemple, réaction à température ambiante en utilisant de l'eau comme solvant) et de ses rendements très élevés, ce qui est idéal pour manipuler des molécules fragiles.
Le Procédé de Greffage Covalent par "Click Chemistry"
Les inventeurs proposent un procédé de greffage covalent d'au moins une molécule à la surface d'un substrat inorganique portant au moins un espaceur, en mettant en œuvre une réaction de "click chemistry". Ce procédé se décompose en plusieurs étapes clés :
- Ancrage : L'immobilisation d'un composé espaceur de formule (I) sur une surface de silicium portant des fonctions hydrure de surface par l'intermédiaire d'une liaison covalente.
- Couplage : La réaction entre au moins un groupe fonctionnel terminal Y (non immobilisé) du composé espaceur de formule (I) et au moins un groupe fonctionnel Z complémentaire de la molécule d'intérêt.
- Greffage : L'ensemble de ces deux actions.
Caractéristiques des Radicaux Alkyle et Aryle dans les Espaceurs
Selon l'invention, le radical alkyle défini pour E est de préférence un radical comportant de 1 à 20 atomes de carbone. Il peut être non substitué ou éventuellement mono- ou polysubstitué, linéaire, ramifié ou cyclique, saturé ou insaturé. Des exemples de substituants incluent les groupes éthoxy, éther-oxyde, aryloxy, aminoalkyle en C1-C10, aminoaryle, hydroxyalkyle en C1-C10, hydroxyaryle, thioalkyle en C1-C10 (comme le groupement mercapto), cyano, céto, halogénoalkyle en C1-C10, hétéroalkyle en C1-C10, halogénoaryle et hétéroaryle.Le radical aryle est de préférence une structure carbonée aromatique ou hétéroaromatique, éventuellement mono- ou polysubstituée. Elle peut être constituée d'un ou plusieurs cycles aromatiques ou hétéroaromatiques, avec des hétéroatomes choisis parmi N, O, P, Si et S. Lorsque les radicaux alkyle ou aryle sont polysubstitués, les substituants peuvent être différents les uns des autres.
Application aux Substrats Semi-Conducteurs de Silicium
Le procédé de greffage selon l'Invention s'applique aux substrats semi-conducteurs de silicium comportant des fonctions hydrure de surface (Si-H). Les plaquettes de silicium (wafers) sont facilement disponibles. Pour maximiser la quantité de liaisons Si-H de surface et diminuer l'éventualité de l'apparition d'une couche d'oxyde, l'étape de préparation consiste avantageusement à décaper la surface avec une solution d'un acide faible, telle qu'une solution d'acide fluorhydrique. Cette étape peut être optimisée en observant les vibrations infrarouges des liaisons Si-H et Si-O après décapage de plusieurs surfaces avec des solutions d'acide fluorhydrique de concentrations différentes, afin de choisir la concentration conduisant au meilleur résultat. Les surfaces sont ensuite de préférence rincées à l'eau déminéralisée.
Ancrage des Composés Espaceurs : Une Liaison Si-C Forte et Stable
Les composés espaceurs de formule générale (I) s'ancrent à la surface du substrat par au moins un groupe fonctionnel X. En fonction de la valeur de n, les composés espaceurs de formule (I) peuvent comporter plusieurs groupes fonctionnels X. L'ancrage des composés espaceurs de formule (I) sur la surface d'un substrat de silicium lors de l'étape (a) se fait par l'intermédiaire d'une liaison Si-C, qui est particulièrement forte et stable.
L'étape (a) d'ancrage est une réaction d'hydrosilylation entre la surface d'un substrat de silicium portant des fonctions hydrure (-Si-H) et au moins un composé espaceur de formule (I) et la fonction C-C du ou des groupes fonctionnels X. Cette réaction est de type radicalaire et peut être initiée thermiquement, photochimiquement, électrochimiquement ou catalytiquement. L'initiation photochimique et thermique sont préférées ; l'initiation photochimique est avantageusement utilisée car elle implique des conditions douces adaptées à la manipulation de molécules thermosensibles.
Polyvalence du Procédé de Greffage
Le procédé de greffage décrit ci-dessus permet de greffer des molécules d'intérêt variées. Le groupe fonctionnel Y de l'espaceur porte au moins un carbone hybride sp, de préférence un groupe C≡C (obtenu par couplage de Sonogashira par exemple) ou C≡N. Le groupe fonctionnel Z de la molécule d'intérêt peut être un groupe azoture, qui est le partenaire complémentaire privilégié dans une réaction de "click chemistry" avec un alcyne ou un nitrile. Les composés espaceurs de formule (I) utilisés peuvent être facilement préparés selon les méthodes de synthèse classiques.
La Réaction de 1,3-Cycloaddition de Huisgen Catalysée par le Cuivre
Lorsque le dipolarophile est un alcyne, il est préférable qu'il soit terminal pour être accessible. Dans le cas d'un couplage par 1,3-cycloaddition, et notamment la 1,3-cycloaddition de Huisgen, il est recommandé d'utiliser un catalyseur métallique, avantageusement un métal de transition et particulièrement du Cu(I).
On distingue deux sortes de dipolarophiles :
- Dipolarophiles "activés" : Ceux qui possèdent un groupement attracteur d'électrons et réagissent facilement avec le dipôle.
- Alcynes et nitriles "non-activés" : Pour lesquels les réactions de cycloadditions, et en particulier la 1,3-cycloaddition de Huisgen, nécessitent une activation préalable par l'action d'un catalyseur, de préférence en complément d'une base.
À titre d'exemple, un catalyseur cuivrique Cu(I) peut être généré in situ par réaction d'une source de Cu(II), telle que CuSO₄·5H₂O, et d'une base telle que l'ascorbate de sodium, qui réduira le Cu(II) en Cu(I). Cette approche est favorisée si le solvant est aqueux. Dans le cas des alcynes…
Greffage Acide sur Alumine : Une Étude Préliminaire Cruciale
L'objectif de ce travail est la modification de surface de nanoparticules de silice en milieu aqueux par greffage d'acides alkylphosphoniques. Cependant, la liaison Si-O-P n'étant pas stable vis-à-vis de l'hydrolyse, un intermédiaire a été nécessaire. Le greffage a été effectué par l'intermédiaire d'espèces aluminiques déposées en surface des nanoparticules de silice, formant ainsi des liaisons Si-O-Al-O-P.
Avant de procéder au greffage sur les nanoparticules de silice modifiées par l'alumine, une étude préalable de greffage d'acides alkylphosphoniques sur des nanoparticules modèles d'alumine a été réalisée. Cette étape a été cruciale pour optimiser les paramètres de greffage. Cette optimisation a permis de synthétiser des nanoparticules avec différents taux de recouvrement. Un contrôle précis de l'hydrophobie et de la polarité de surface sur une large échelle a été ainsi atteint, ouvrant des perspectives significatives pour des applications variées nécessitant des surfaces aux propriétés modulables. Ce processus met en évidence la flexibilité et la robustesse de l'approche du greffage médiatisé par l'alumine, garantissant la stabilité des liaisons Si-O-Al-O-P face à l'hydrolyse et offrant un contrôle fin des propriétés de surface.
