A l'aide de la spectroscopie ultrarapide et des calculs de mécanique quantique, Des chercheurs de la Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) de Munich ont caractérisé le cycle de rotation complet de la lumière, molécule motrice chimique hémithioindigo.

Chimiste Dr Henry Dube, diriger un groupe de recherche junior Emmy Noether, a développé une machine moléculaire basée sur la molécule hémithioindigo (HTI). Il présente un mouvement de rotation unidirectionnel autour d'une liaison chimique spécifique lorsqu'il est exposé à la lumière. En collaboration avec le Prof. Eberhard Riedle de BioMolekulare Optik et la physicienne Regina de Vivie-Riedle, il a maintenant résolu la dynamique de l'ensemble du mécanisme de rotation. Les résultats apparaissent dans le Journal de l'American Chemical Society (JACS) .

L'hémithioindigo contient une double liaison centrale carbone-carbone (C=C). Ce type de liaison est susceptible de subir un effet réversible, changement structurel dépendant de la lumière connu sous le nom de photo-isomérisation, qui n'est normalement pas directionnel. Dans des travaux antérieurs, Dube avait montré que le HTI peut servir de base à un moteur moléculaire dont le mouvement peut être contrôlé avec précision. Dans le moteur moléculaire basé sur HTI, une succession d'étapes de photo-isomérisation et d'inversion d'hélice thermique provoque la rotation unidirectionnelle de la double liaison centrale à une vitesse allant jusqu'à 1 kHz à température ambiante. Alors que la plupart des autres moteurs chimiques nécessitent une lumière ultraviolette à haute énergie pour les alimenter, le moteur HTI peut être entraîné avec de la lumière visible. Cette caractéristique étend son domaine d'application et augmente son potentiel d'utilisation dans des contextes biologiques et médicaux.

L'équipe a maintenant caractérisé la dynamique de la rotation unidirectionnelle dans le moteur HTI en utilisant une variété de techniques spectroscopiques ultrarapides pour distinguer les états intermédiaires dans le cycle de rotation. En comparant ces résultats avec des calculs de mécanique quantique détaillés des voies de réaction possibles, ils ont pu construire un modèle quantitatif précis du fonctionnement de cette nanomachine. Les résultats montrent que la rotation reste unidirectionnelle même à température ambiante, et révéler comment le taux de rotation peut être amélioré le plus efficacement possible. Le cycle de rotation complet se résout en quatre états conformationnels et énergétiques, et les probabilités et les taux des transitions entre eux ont été déterminés pour la première fois. Les échelles de temps pertinentes pour ces transitions varient de la picoseconde (10-12 s) à la milliseconde (10-3 s). Toutes les étapes pertinentes ont été suivies avec succès par spectroscopie dans les mêmes conditions, c'est-à-dire sur une plage couvrant neuf ordres de grandeur.

"Notre analyse complète donne un aperçu fonctionnel sans précédent du fonctionnement de ces moteurs moléculaires. Nous avons maintenant une image complète du mouvement de rotation de cette molécule, que nous pouvons exploiter pour développer de nouvelles approches de conception de moteurs qui utilisent mieux l'énergie lumineuse et sont donc plus efficaces, " dit Dubé.