En utilisant l'impression 3D avancée, Des chercheurs du Dartmouth College ont déverrouillé la clé pour transformer des nano-anneaux microscopiques en matériaux intelligents qui effectuent des travaux à l'échelle humaine.

Les nanomachines peuvent déjà délivrer des médicaments et servir de mémoire informatique à l'échelle nanométrique. En intégrant une technique d'impression 3D mise au point au sein du groupe Ke Functional Materials de Dartmouth, les chercheurs pourraient débloquer un potentiel encore plus grand pour ces mini-machines.

La recherche a été publiée le 22 mars dans l'édition en ligne de Angewandte Chemie , le prestigieux journal de la Société chimique allemande.

"Jusqu'à maintenant, exploiter le travail mécanique des nanomachines a été extrêmement difficile. Nous nous rapprochons lentement du point où les minuscules machines peuvent fonctionner à une échelle que nous pouvons voir, toucher et sentir." a déclaré Chenfeng Ke, Professeur adjoint de chimie au Dartmouth College et chercheur principal pour la recherche.

Dans un exemple fourni par Ke, le matériau intelligent de première génération a levé un centime pesant 2,268 g. La pièce, 15 fois le poids de la structure qui l'a soulevé, a été soulevé de 1,6 mm – l'équivalent d'un humain soulevant une voiture.

« La création de matériaux intelligents à base de nanomachines est encore extrêmement complexe et nous ne faisons que commencer, mais cette nouvelle technique pourrait permettre la conception et la fabrication de dispositifs intelligents complexes qui sont actuellement hors de notre portée, " dit Ke.

La conception du nouveau matériau est basée sur des recherches lauréates du prix Nobel qui ont transformé des molécules mécaniquement imbriquées (MIM) en machines performantes à l'échelle nanométrique. Précédemment, les chercheurs ont montré à quel point la lumière, la chaleur et des niveaux de pH modifiés pourraient forcer le mouvement au sein d'une structure – connue sous le nom de rotaxane – composée d'anneaux sur un axe moléculaire. De la même manière que les perles sont enfilées sur une ficelle, le glissement – ​​ou va-et-vient – ​​des anneaux le long de l'axe fait que les molécules changent de forme et emmagasinent de l'énergie.

Selon le journal, Les MIM sont déjà largement utilisées comme navettes moléculaires, commutateurs, muscles et pompes. Mais pendant des années, les chimistes ont été bloqués par le problème d'ordonner leurs positions aléatoires. L'établissement d'un tel ordre est essentiel pour empêcher les structures de s'annuler mutuellement leurs mouvements mécaniques afin que leurs mouvements moléculaires puissent être amplifiés.

« Notre travail fournit le premier principe de conception pour ajouter l'imprimabilité 3D aux nanomachines. nous avons également transformé les mouvements moléculaires à l'échelle macro pour faire un travail utile, " dit Ke, qui a fait ses recherches post-doctorales avec l'un des lauréats du prix Nobel 2016, Sir Fraser Stoddart.

Le groupe de recherche a conçu et synthétisé des gels à base de MIM avec des propriétés souhaitables pour l'impression 3D. En utilisant les interactions de liaison hydrogène entre les nano-anneaux, ils ont réussi à imprimer des structures 3-D en forme de réseau. En réticulant les essieux, des structures avec une bonne intégrité structurelle 3-D et une bonne stabilité mécanique ont été créées.

Les chercheurs ont découvert que l'architecture 3-D complexe de ces structures peut être déformée et reformée de manière réversible grâce à un échange de solvants qui fait basculer la structure de l'anneau fileté entre la navette aléatoire et les états stationnaires au niveau moléculaire. Ce comportement de changement de forme et de récupération s'est avéré être répété facilement plusieurs fois.

"Tout comme déplacer des perles pour renforcer ou affaiblir une corde, cette action est critique car elle permet l'amplification du mouvement moléculaire en mouvement macroscopique par la conversion de l'apport d'énergie chimique en travail mécanique, " dit Qianming Lin, le premier auteur de l'article et un étudiant diplômé de première année au département de chimie du Dartmouth College.

Ke et son équipe espèrent que cette avancée permettra aux scientifiques de développer des matériaux et des appareils intelligents. Par exemple, en ajoutant une contraction et une torsion au mouvement ascendant, les machines moléculaires pourraient être utiles en tant que robots mous qui accomplissent des tâches compliquées similaires à une main humaine.