Une équipe de scientifiques a utilisé des micro-ondes pour démêler la structure exacte d'un minuscule moteur moléculaire. La nano-machine est constituée d'une seule molécule, composé de 27 atomes de carbone et 20 atomes d'hydrogène (C27H20). Comme un moteur macroscopique il a un stator et un rotor, reliés par un essieu. L'analyse révèle à quel point les différentes parties du moteur sont construites et disposées les unes par rapport aux autres. L'équipe dirigée par la scientifique principale de DESY, Melanie Schnell, rapporte les résultats dans la revue Angewandte Chemie Édition Internationale .

Le moteur moléculaire artificiel a été synthétisé par l'équipe du lauréat néerlandais du prix Nobel Ben Feringa de l'Université de Groningen, co-auteur de l'article. Feringa a reçu le prix Nobel de chimie 2016 avec Jean-Pierre Sauvage de l'Université de Strasbourg et Sir Fraser Stoddart de la Northwestern University aux États-Unis pour la conception et la synthèse de machines moléculaires.

"Les performances fonctionnelles de telles nano-machines ressortent clairement de leurs propriétés structurelles uniques, " écrivent les auteurs dans leur étude. " Pour mieux comprendre et optimiser la machinerie moléculaire, il est important de connaître leur structure détaillée et comment cette structure change au cours des étapes mécaniques clés, de préférence dans des conditions dans lesquelles le système n'est pas perturbé par des influences extérieures."

Le moteur rotatif étudié ici est très prometteur pour de nombreuses applications, comme l'explique le premier auteur Sérgio Domingos de DESY et de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) :« Les chimistes sont tous en effervescence à propos de cette molécule et essaient de la connecter avec une gamme d'autres molécules. Lorsqu'il est activé par la lumière, la nano-machine fonctionne par étapes photochimiques et thermiques consécutives, effectuer un demi-tour. Une seconde gâchette force alors le moteur à effectuer un tour complet, revenir à sa position de départ.

"Une telle activation par la lumière est idéale car elle fournit un moyen non invasif et très localisé d'activer à distance le moteur, " dit Domingos. " Il pourrait être utilisé, par exemple, comme une fonction motrice efficace qui peut être intégrée à un médicament, contrôler son action et la libérer à un endroit précis du corps :les médicaments activés par la lumière du futur. Mais aussi des applications telles que la catalyse activée par la lumière et la transmission du mouvement au niveau moléculaire vers le monde macroscopique viennent à l'esprit. Pour de telles applications, il est important de comprendre la structure exacte de la molécule motrice et son fonctionnement en détail."

La constitution atomique de la molécule motrice avait été étudiée auparavant avec des rayons X. Pour l'analyse aux rayons X, les molécules devaient d'abord être transformées en cristaux. Les cristaux diffractent alors les rayons X de façon caractéristique, et à partir du diagramme de diffraction résultant, l'arrangement des atomes peut être calculé. "En revanche, nous avons étudié le flottement libre, molécules isolées dans un gaz, " explique Schnell, qui travaille au Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), une coopération entre DESY, l'Université de Hambourg et la Société Max Planck. "De cette façon, nous pouvons voir la molécule telle qu'elle est, exempts de toute influence extérieure comme les solvants ou les liants."

Afin de déterminer leur structure, les molécules flottantes devaient être exposées à un champ de micro-ondes résonant. "Nous avons utilisé un champ électromagnétique pour orienter les molécules toutes dans la même direction de manière cohérente puis enregistré leur relaxation lorsque le champ est éteint, " explique Schnell, qui dirige également un groupe de recherche au MPSD et est professeur de chimie physique à l'Université de Kiel. "Cela révèle les soi-disant constantes de rotation de la molécule, qui à leur tour nous donnent des informations précises sur son agencement structurel."

Cette analyse de cette spectroscopie dite micro-onde n'est pas simple. Dans le cas de la molécule motrice, les scientifiques ont dû faire correspondre plus de 200 raies du spectre et comparer leurs nombres avec des simulations issues de calculs de chimie quantique. "En ce qui concerne le nombre d'atomes, le moteur moléculaire est actuellement la plus grosse molécule dont la structure a été résolue par spectroscopie micro-ondes, " explique Schnell.

Afin de faire flotter les molécules dans la chambre à micro-ondes, ils devaient être chauffés à 180 degrés Celsius avant d'être refroidis rapidement à moins 271 degrés. « Le chauffage a fait tomber certains moteurs en panne, rupture à l'essieu, " rapporte Domingos. " De cette façon, nous pouvions voir le rotor et le stator indépendamment l'un de l'autre, confirmant leurs structures. Cela nous donne également un indice sur le mécanisme par lequel il se désagrège."

L'analyse finale indique quelques petits écarts par rapport à la structure déterminée avec des rayons X, où les molécules interagissent les unes avec les autres dans un cristal. "Cela montre que la structure du moteur est incontestablement affectée par son environnement, " dit Domingos. Plus important encore, la technique des micro-ondes ouvre la possibilité d'étudier la dynamique de la molécule motrice. "Maintenant que nous pouvons voir la molécule telle qu'elle est vraiment, we want to catch it in action, " underlines Domingos. The rotor goes through an intermediate state that lasts about three minutes - long enough to be investigated with microwave spectroscopy. The researchers are already planning such investigations from which they hope to learn in detail how the molecular motor works.