Grâce à une conception chimique intelligente, Des chercheurs de l'Institut Van 't Hoff des sciences moléculaires (HIMS) de l'Université d'Amsterdam ont réussi à créer une machine moléculaire très rapide. Les pièces mobiles se déplacent de plus d'un nanomètre les unes par rapport aux autres en un temps record de 30 milliardièmes de seconde. Les résultats ont été publiés récemment dans le Journal de l'American Chemical Society .

La machine moléculaire est un rotaxane, une structure moléculaire avec une molécule en forme d'anneau autour d'une molécule allongée en forme de fil. L'anneau peut se déplacer d'un côté du fil à l'autre, tout comme une navette.

Les chercheurs d'Amsterdam ont atteint leur vitesse record grâce à une nouvelle conception moléculaire permettant à un côté du fil d'attirer la navette vers lui, comme c'était. En outre, ils ont utilisé un tout nouveau concept pour déclencher le mouvement, une réaction acide-base photochimique.

Contrôler le mouvement avec la lumière

Le groupe de photonique moléculaire HIMS travaille depuis un certain temps sur des moteurs moléculaires à base de rotaxane dont le mouvement peut être contrôlé par la lumière. Dans le cas des rotaxanes les plus simples, la bague coulissante n'a pas de sens préférentiel, donc il se déplace au hasard sur le fil. Dans les variétés plus avancées, le fil contient des "stations" moléculaires qui introduisent une préférence de l'anneau pour certains emplacements sur le fil. En changeant chimiquement ces stations à l'aide de la lumière, accordant leur attirance à l'anneau, il est possible de faire passer l'anneau d'une station à une autre. De cette façon, un éclair de lumière de la bonne couleur peut contrôler le mouvement sur une échelle de longueur nanométrique.

Ce principe a été appliqué avec succès par le groupe d'Amsterdam et ailleurs (par exemple, les groupes de recherche des lauréats du prix Nobel Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage et Ben Feringa). À l'heure actuelle, le domaine de la recherche des machines moléculaires en est encore à ses balbutiements, mais les applications futures potentielles de ces moteurs moléculaires commutables sont, par exemple, ordinateurs moléculaires.

Le seul problème avec le mécanisme est le temps de trajet. Si la sonnerie est à une certaine station, et une autre station est rendue plus attrayante au moyen de la lumière, il suffit d'attendre que l'anneau quitte spontanément sa station de départ, et se retrouve ensuite à la station de reliure la plus forte par une marche aléatoire sur le fil. Si le fil est long, ce processus peut prendre beaucoup de temps.

Mécanisme de harpon

Fred Brouwer et son doctorat. l'étudiant Tatu Kumpulainen a trouvé une solution :ils ont conçu une machine moléculaire dans laquelle la station terminale a une telle attraction pour l'anneau qu'elle déforme le fil permettant à la station de saisir l'anneau, puis faites-le glisser sur le fil jusqu'à sa destination finale (voir l'image). Ce mécanisme dit du harpon leur a permis de créer une navette moléculaire à vitesse record. Les molécules ont été fabriquées par un maître de la chimie organique :Bert Bakker. Il est à la retraite depuis longtemps, mais aime toujours son travail de laboratoire.

Afin de mesurer la vitesse de la navette moléculaire, Brouwer et Kumpulainen ont collaboré avec leurs collègues Matthijs Panman et Sander Woutersen. Ils ont utilisé une courte impulsion de lumière ultraviolette pour induire le mouvement de l'anneau, puis une seconde impulsion de lumière infrarouge pour suivre son mouvement. Le temps record mesuré était de 30 nanosecondes pour une distance parcourue d'un nanomètre. Cela signifie une vitesse moyenne de 3 cm par seconde. Cela peut sembler lent, mais elle est 4000 fois plus rapide que la protéine motrice biologique la plus rapide (myosine, qui provoque la contraction de nos muscles). L'un des défis pour l'avenir est de faire fonctionner ensemble les petites molécules motrices artificielles, tout comme les protéines motrices de nos muscles.