Les voitures moléculaires sont connues depuis un certain temps, mais des scientifiques de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires (HIMS) de l'Université d'Amsterdam et de l'Université de Murcie ont maintenant synthétisé des molécules qui fonctionnent comme les pédales d'un vélo. Alimenté par la lumière, les molécules peuvent être utilisées comme commutateurs moléculaires qui ouvrent la voie à la conception de systèmes moléculaires fonctionnels efficaces sous de sévères restrictions spatiales.
La recherche paraîtra dans le prochain numéro imprimé de Angewandte Chemie Édition Internationale (à paraître le 12 février). L'illustration de la couverture qui l'accompagne souligne l'importance de l'œuvre.
Les molécules qui peuvent être commutées par la lumière pour changer leur structure sont des éléments clés de la nanotechnologie moléculaire photosensible. Un inconvénient majeur de nombreux commutateurs moléculaires actuellement disponibles est qu'ils nécessitent un volume libre relativement important pour s'inverser entre leurs deux états structurels. Des exemples prototypiques sont des molécules dans lesquelles l'isomérisation d'une double liaison se produit, telles que les molécules de rotor du lauréat du prix Nobel Ben Feringa. Dans de nombreuses applications pratiques, par exemple en catalyse, livraison de médicaments ou ordinateurs moléculaires, il n'y a tout simplement pas assez d'espace pour un mouvement à si grande échelle. Trouver de nouveaux motifs chimiques qui permettent la commutation en utilisant uniquement le strict minimum de volume est donc d'une grande importance pour ce domaine en pleine émergence.
Récemment, Le professeur Jose Berna de l'Université de Murcie a proposé une nouvelle classe de commutateurs moléculaires à base d'azodicarboxamide. Ceux-ci sont dérivés d'une modification de la fraction azoïque de l'azobenzène, l'un des composants les plus largement utilisés dans les matériaux « commutables par la lumière ». Étant donné que les nouveaux systèmes ne sont plus planaires, contrairement aux azobenzènes, on s'attendait à ce qu'ils présentent différents types de mouvement lors de l'irradiation avec la lumière. Jusqu'à maintenant, cependant, les études sur le mouvement réel en cours restaient hors de portée.
Pour étudier le mode de fonctionnement exact des commutateurs moléculaires à base d'azodicarboxamide, Le Dr Saeed Amirjalayer de l'Université d'Amsterdam a entrepris de mesurer leurs fréquences vibratoires à l'aide d'impulsions de lumière infrarouge extrêmement courtes (d'une durée inférieure à un billionième de seconde). Ces fréquences sont une empreinte de la structure moléculaire et offrent ainsi un moyen direct d'établir exactement comment la molécule change de structure après avoir été activée par la lumière.
Il s'est avéré que ces commutateurs présentent en effet un mécanisme de commutation complètement différent par rapport aux commutateurs standard. Lorsque ces derniers présentent une rotation à grande échelle autour d'une liaison, les nouvelles molécules fonctionnent comme le pédalier et les pédales d'un vélo. Ils ne, cependant, effectuer une rotation complète, mais aller et venir. À l'aide de calculs de chimie quantique avancés, il a été établi que les molécules deviennent planes par absorption de la lumière et se retournent lorsqu'elles retournent à leur état fondamental.
La caractéristique frappante du mouvement du pédalo est qu'il s'accompagne de déplacements minimes des atomes impliqués. La molécule reste ainsi plus ou moins fixée dans l'espace et n'a besoin que d'un volume de commutation minimal. Cela offre des opportunités pour des applications où le mouvement au niveau moléculaire est fortement limité, comme à l'état solide, sur les surfaces, ou lors de l'enrobage dans des polymères.
