Moteurs moléculaires, qui tournent unidirectionnellement en réponse à un apport d'énergie externe, constituent une classe importante de composants pour des applications futures dans le domaine des nanotechnologies. Les molécules dont la structure et la conformation spatiale peuvent être altérées par la lumière sont des candidats particulièrement prometteurs pour cette tâche. Cependant, tous les moteurs moléculaires entraînés par la lumière décrits jusqu'à présent dépendent de réactions qui nécessitent l'apport de chaleur et dépendent donc d'une certaine température ambiante minimale. Le chimiste de LMU Henry Dube a maintenant réalisé une percée décisive à cet égard. Avec son élève Aaron Gerwien, il a développé le premier moteur moléculaire qui tourne sous l'effet de la lumière seule, quelle que soit la température. Non seulement son fonctionnement n'est pas conditionné à une température minimale spécifique, mais il tourne en fait plus rapidement à des températures plus basses. Cette caractéristique unique de la nouvelle molécule pourrait étendre considérablement la gamme d'applications disponibles pour les futures nanomachines. Les chercheurs du LMU viennent de rapporter leurs découvertes dans le Journal de l'American Chemical Society .

La propriété essentielle qui transforme un produit chimique synthétique en un moteur rotatif moléculaire est qu'une source d'énergie externe peut provoquer la rotation unidirectionnelle d'un composant de la molécule. Chaque rotation de 360° s'effectue par étapes discrètes comme le tic-tac d'une aiguille d'horloge. La partie délicate est de s'assurer que chaque pas en avant ne va pas en arrière. Tous les moteurs moléculaires décrits jusqu'à présent ont utilisé ce qu'on appelle un mécanisme à cliquet pour empêcher de telles inversions. L'idée est qu'après chaque étape en avant, une étape d'encliquetage modifie la configuration de la molécule de telle manière que la réaction inverse est stériquement inhibée. Les changements de conformation nécessaires pour y parvenir sont normalement induits par la chaleur. Par conséquent, la vitesse de rotation dépend de la température ambiante, et au-dessous d'une certaine température minimale le mouvement cesse.

Comme les systèmes moteurs antérieurs développés par Dube et ses collègues, le nouveau moteur est basé sur une substance organique appelée hémithioindigo. Cette molécule est constituée de deux squelettes carbonés différents, qui sont reliés par une double liaison mobile. "Nous avons réussi à modifier la molécule de telle sorte qu'une rotation complète de l'un des modules structuraux par rapport à l'autre ne nécessite que trois étapes de réaction, " dit Dube. Chaque pas de rotation est activé par la lumière visible et il n'y a pas besoin d'intermédiaire, marches à cliquet à entraînement thermique. En effet, les trois étapes impliquées dans la rotation complète sont favorisées par une réduction de la température, de sorte que la vitesse de rotation des nouvelles molécules augmente réellement à des températures plus basses. "Chaque étape de rotation est composée de trois photoréactions différentes, deux dont nous avons démontré expérimentalement directement pour la première fois cette année seulement, " explique Dube. Les chercheurs sont convaincus que le nouveau mécanisme d'entraînement et le comportement unique de leur moteur permettront dans un avenir pas trop lointain aux chercheurs de synthétiser des machines moléculaires qui, grâce à leur relative insensibilité à la température ambiante précise, permettra des applications uniques impossibles avec les moteurs connus jusqu'à présent.