La vision de l'avenir de la miniaturisation a produit une série de moteurs moléculaires synthétiques qui sont entraînés par une gamme de sources d'énergie et peuvent effectuer divers mouvements. Un groupe de recherche de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) a maintenant réussi à contrôler une réaction de catalyse à l'aide d'un moteur à lumière contrôlée. Cela nous rapproche un peu plus de la vision d'une nano-usine dans laquelle des combinaisons de différentes machines fonctionnent ensemble, comme c'est le cas dans les cellules biologiques. Les résultats ont été publiés dans le Journal de l'American Chemical Society .

Les lois de la mécanique ne peuvent pas toujours être appliquées

Par définition, un moteur convertit l'énergie en un type spécifique d'énergie cinétique. Au niveau moléculaire, par exemple, la protéine myosine peut produire des contractions musculaires en utilisant l'énergie chimique. De telles nanomachines peuvent maintenant être produites synthétiquement. Cependant, les molécules utilisées sont beaucoup plus petites que les protéines et nettement moins complexes.

"Les lois de la physique mécanique ne peuvent pas simplement être appliquées au niveau moléculaire, " dit le Pr. Dr Henry Dube, Chaire de chimie organique I à la FAU. Inertie, par exemple, n'existe pas à ce niveau, il explique. Déclenché par le mouvement brownien, les particules sont constamment en mouvement. "Activer un moteur rotatif ne suffit pas, vous devez incorporer un type de mécanisme à cliquet qui l'empêche de tourner en arrière, " il explique.

En 2015, alors qu'il était au LMU à Munich, Le professeur Dube et son équipe ont développé un moteur moléculaire particulièrement rapide entraîné par la lumière visible. En 2018, ils ont développé le premier moteur moléculaire entraîné uniquement par la lumière et fonctionnant quelle que soit la température ambiante. Un an plus tard, ils ont développé une variante capable non seulement de rotation mais aussi d'effectuer un mouvement en huit. Tous les moteurs sont basés sur la molécule d'hémithioindigo, une variante asymétrique du colorant naturel indigo où un atome de soufre prend la place de l'atome d'azote. Une partie de la molécule tourne en plusieurs étapes dans le sens opposé à l'autre partie de la molécule. Les étapes énergétiques sont déclenchées par la lumière visible et modifient les molécules afin que les réactions inverses soient bloquées.

Catalyseurs standards utilisés

Après être venu à FAU, Henry Dube a utilisé pour la première fois le moteur rotatif développé en 2015 pour contrôler un processus chimique séparé. Il se déplace en quatre étapes autour de la double liaison carbonée de l'hémithioindigo. Deux des quatre étapes déclenchées par une photo-réaction peuvent être utilisées pour contrôler une réaction de catalyse. "La lumière verte génère une structure moléculaire qui lie un catalyseur à l'hémithioindigo et la lumière bleue libère le catalyseur, " explique le chimiste.

Un catalyseur standard est utilisé qui n'a pas d'atomes de métal. En utilisant des forces électrostatiques, le catalyseur s'arrime via une liaison hydrogène sur un atome d'oxygène dans la "molécule motrice". en principe. "Le grand avantage de l'hémithioindigo est que sa structure innée a un mécanisme de liaison pour les catalyseurs, " explique le Pr Dube. Sinon, il faudrait l'ajouter par synthèse chimique.

La rotation du moteur hémithioindigo est contrôlée par la lumière visible. À la fois, le système permet la libération et la liaison ciblées d'un catalyseur qui accélère ou décélère les réactions chimiques souhaitées. "Ce projet est une étape importante vers l'intégration des moteurs moléculaires dans les processus chimiques de manière simple et variée, ", explique le professeur Dube. "Cela nous permettra à l'avenir de synthétiser des médicaments complexes à un niveau élevé de précision en utilisant des machines moléculaires comme une ligne de production."