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Mise en rotation d'une roue moléculaire montée sur un essieu

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Des chercheurs de l'université libre de Berlin et leurs collègues du Centre d'élaboration des matériaux et d'études structurales de Toulouse (CEMES-CNRS) sont parvenus pour la première fois à contrôler la rotation d'une roue dans la molécule. L'expérience de nano-mécanique porte sur une roue d'un diamètre de 0,7nm attachée à un essieu de 0,6nm de long. Une telle réussite ouvre la voie à la création des premières molécule-machines.

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Depuis la fin des années 1990, les chimistes du CEMES travaillent, avec leurs collègues d'IBM Zürich et de l'université libre de Berlin, à la réalisation de molécule-machines munies de roues. Après l'observation de la rotation aléatoire d'une roue moléculaire à plat en 1998, la conception et la synthèse d'une brouette unimoléculaire en 2003 puis la synthèse d'un moteur moléculaire en 2005, ils sont parvenus en 2006 à faire fonctionner la première crémaillère moléculaire d'un pignon de 1,2nm de diamètre. Aujourd'hui, ces chercheurs ont réussi à contrôler le sens de rotation d'une roue moléculaire montée sur un essieu.

La molécule roue-essieu-roue. Crédits : © CEMES – CNRS

Pour préparer cette expérience de nano-mécanique, les chimistes du CEMES-CNRS ont conçu et synthétisé une machinerie moléculaire simple faite d'une molécule-essieu de 0,6nm de long où viennent se lier chimiquement deux roues triptycènes d'un diamètre de l'ordre de 0,7nm. L'adhérence des deux roues crantées et sans "pneu" est maximale à la surface de roulement constituée de cuivre ultra propre. Sa rugosité naturelle présente des rangées d'atomes de cuivre séparées d'une distance de 0,3nm environ et d'une hauteur mono-atomique.

L'expérience consiste à déposer délicatement des molécules roue-essieu-roue sur la surface de cuivre puis à repérer par imagerie en microscopie à effet tunnel (STM) et à très basse température les molécules se trouvant dans la bonne orientation par rapport aux rangées d'atomes de la surface. La pointe du STM positionnée sur une roue permet de la faire tourner. En avançant la pointe, le microscope se comporte comme un doigt agissant dans le déclenchement de la rotation. L'opérateur du STM suit en temps réel sur son écran de contrôle les variations du courant électrique qui passe au travers de la roue pendant qu'il la fait tourner. Suivant les conditions de manipulation de la molécule, il est possible de faire tourner une roue puis l'autre alors que la molécule avance ou de faire avancer la molécule sans faire tourner ses roues.

Passage de la pointe STM sur une roue induisant une rotation de 120°. Crédits : © CEMES – CNRS

Cette expérience permet d'approcher et de comprendre à l'échelle d'une seule molécule des fonctionnalités connues à l'échelle macroscopique. Si le plateau de la molécule n'est pas séparé de la surface, il y a interaction et donc destruction. Ces résultats ouvrent la voie à la création de molécule-machines, l'objectif étant de pouvoir un jour embarquer dans une seule molécule toute la machinerie d'une nano-voiture : quatre roues, un moteur, etc. Ces travaux ont été publiés en ligne, le 21 janvier 2007, dans la revue Nature Nanotechnology.

Par Marina Pajak.

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