Considérez un petit morceau de corde. Pourriez-vous deviner quels nœuds sont plus susceptibles de se former si vous le froissez et le secouez ? Les chimistes synthétiques travaillent depuis longtemps sur une version moléculaire de ce problème, et jusqu'à présent, ont réussi à synthétiser une demi-douzaine de types de nœuds en utilisant des techniques d'auto-assemblage moléculaire. Mais quels autres types de nœuds pourraient être réalisés à l'avenir ? C'est la question difficile que les scientifiques de SISSA, en association avec l'Université de Padoue, ont abordé à l'aide de simulations informatiques dans ce nouvel ouvrage publié dans Communication Nature .

Les scientifiques ont identifié une liste restreinte, une sorte de "tableau périodique" des types de nœuds les plus designables, c'est-à-dire les nœuds qui pourraient facilement s'auto-assembler dans des conditions physiques et chimiques appropriées. Les résultats, obtenus avec des modèles prédictifs computationnels, sont étayées par les derniers résultats expérimentaux et devraient aider à la synthèse de topologies encore inconnues. Cette étude, et la capacité de plus en plus prédictive des techniques de modélisation moléculaire, peut créer de nouvelles possibilités pour de futures applications avancées, comme la construction de machines moléculaires sophistiquées pour le chargement et la livraison de cargaisons à l'échelle nanométrique.

Pas seulement un défi intellectuel

« Il y a un intérêt scientifique croissant pour les molécules complexes. Dans ce contexte, la possibilité de concevoir et de synthétiser de nouveaux types de nœuds moléculaires est particulièrement attrayante, " dit Mattia Marenda, premier auteur de cette recherche.

"Jusque récemment, seuls quelques types de nœuds moléculaires avaient été synthétisés. C'étaient les nœuds les plus simples des tableaux mathématiques, c'est-à-dire ceux ayant au plus 5 croisements essentiels." On aurait ainsi pu prédire que le prochain type de nœud à synthétiser aurait eu six croisements. Cependant, dans une étude informatique de 2015, le co-auteur Cristian Micheletti et ses collaborateurs ont fait valoir que le type de nœud non découvert le plus simple et le plus concevable était nettement plus complexe et comportait jusqu'à huit croisements essentiels. Cette prédiction a été confirmée expérimentalement en 2017 et a motivé la présente étude, qui a utilisé une exploration plus systématique des formes ou des configurations qui peuvent être formées à partir de blocs de construction identiques cousus ensemble à la manière d'une ficelle.

"Avec ces modèles, nous avons cherché à découvrir quels nouveaux types de nœuds moléculaires, si seulement, serait plus facile à obtenir avec les techniques actuelles de chimie de synthèse, en particulier l'auto-assemblage. Nous avons constaté que ces types de nœuds privilégiés existent, mais sont très rares. Seules une douzaine de topologies différentes sont réalisables parmi des millions de types de nœuds simples. Les résultats de nos modèles avaient une simplicité inhérente, " dit Marenda. " Le tissage moléculaire de ces types de nœuds est modulaire et hautement symétrique. Nous avons utilisé ces caractéristiques comme critères de sélection pour passer au crible l'immense espace combinatoire des motifs de tissage moléculaire et obtenu une liste restreinte de types de nœuds qui devraient être facilement assemblés à partir de quelques blocs de construction identiques. »

"La liste restreinte est similaire à un tableau périodique, en ce qu' il est organisé en lignes et colonnes qui reflètent différents aspects de la difficulté attendue de réalisation pratique, " poursuit Micheletti. " Les résultats sont corroborés par des expériences récentes et cela suggère que le tableau pourrait en effet être utile aux chimistes expérimentateurs pour choisir les topologies cibles pour des études et des applications ultérieures. "

Quels sont les résultats possibles à long terme de cette recherche? "En ce moment, " explique Marenda, « les chimistes et les physiciens se sont principalement concentrés sur les démonstrations de preuve de concept de la conception et de la synthèse de nœuds moléculaires. Néanmoins, des pistes applicatives intéressantes ont déjà été suggérées."

Un exemple majeur est l'assemblage de cages moléculaires :« Dans ce cas, des substances spécifiques pourraient être imbriquées ou piégées dans des tissages de nœuds moléculaires synthétiques. Ce dernier pourrait alors servir de machine moléculaire contrôlable, capable de charger ou de libérer une cargaison à l'échelle nanométrique en fonction des conditions physico-chimiques spécifiques. Ce sont des perspectives intéressantes et attrayantes pour d'éventuelles applications en médecine ou en électronique."