Les moteurs moléculaires entraînés par la lumière existent depuis plus de 20 ans. Ces moteurs prennent généralement des microsecondes à des nanosecondes pour un tour. Thomas Jansen, professeur agrégé de physique à l'Université de Groningue, et Atreya Majumdar, étudiante à la maîtrise, ont maintenant conçu un moteur moléculaire encore plus rapide. La nouvelle conception est uniquement alimentée par la lumière et peut effectuer un tour complet en picosecondes en utilisant la puissance d'un seul photon. Jansen dit, "Nous avons développé une nouvelle conception prête à l'emploi pour une molécule motrice beaucoup plus rapide." Le dessin a été publié dans Le Journal des lettres de chimie physique le 7 juin.

La conception de la nouvelle molécule motrice a commencé avec un projet dans lequel Jansen voulait comprendre le paysage énergétique des chromophores excités. "Ces chromophores peuvent s'attirer ou se repousser. Je me demandais si on pouvait utiliser ça pour leur faire faire quelque chose, " explique Jansen. Il a confié le projet à Atreya Majumdar, puis étudiant en première année du programme Top Master en nanosciences à Groningue. Majumdar a simulé l'interaction entre deux chromophores connectés pour former une seule molécule.

Léger

Majumdar, qui est maintenant titulaire d'un doctorat. étudiant en nanosciences à l'Université Paris-Saclay en France, dit, "Un seul photon excitera les deux chromophores simultanément, créant des dipôles qui les font se repousser." Mais comme ils sont collés ensemble, reliés par un axe de triple liaison, les deux moitiés se repoussent autour de l'axe. « Au cours de ce mouvement, ils commencent à s'attirer." Ensemble, cela se traduit par une rotation complète, générée par l'énergie lumineuse et la communication électrostatique entre les deux chromophores.

Le moteur moléculaire original entraîné par la lumière a été développé par le collègue de Jansen, Ben Feringa, professeur de chimie organique à l'Université de Groningue et lauréat du prix Nobel de chimie 2016. Ce moteur fait un tour en quatre étapes. Deux étapes sont entraînées par la lumière et deux par la chaleur. « Les étapes de chauffage sont limitantes, " explique Jansen. " La molécule doit attendre une fluctuation de l'énergie thermique pour la conduire à l'étape suivante. "

Goulots d'étranglement

Par contre, dans le nouveau design, une rotation est complètement en descente à partir d'un état excité. En raison des lois de la dynamique quantique, un photon excite les deux chromophores simultanément, il n'y a donc pas de gros goulots d'étranglement pour limiter la vitesse de rotation, qui est donc de deux à trois ordres de grandeur supérieur à celui des moteurs Feringa classiques.

Tout cela reste théorique, sur la base de calculs et de simulations. "Construire un de ces moteurs n'est pas anodin, " dit Jansen. Les chromophores sont largement utilisés mais légèrement fragiles. Créer un axe de triple liaison n'est pas non plus facile. Jansen s'attend à ce que quelqu'un essaie de construire cette molécule organique maintenant que ses propriétés ont été décrites. Et ce n'est pas une molécule spécifique qui a ces propriétés, ajoute Majumdar :« Nous avons créé un guide général pour la conception de ce type de moteur moléculaire.

Plan

Jansen dit qu'il existe quelques applications potentielles :elles pourraient être utilisées pour alimenter l'administration de médicaments ou déplacer des objets à l'échelle nanométrique sur une surface, ou ils pourraient être utilisés dans d'autres applications nanotechnologiques. Et la vitesse de rotation est bien supérieure à celle du processus biophysique moyen, il peut donc être utilisé pour contrôler les processus biologiques. Dans les simulations, les moteurs étaient attachés à une surface mais ils tourneront également en solution. Jansen dit, "Il faudra beaucoup d'ingénierie et de réglages pour réaliser ces moteurs, mais notre plan fournira un tout nouveau type de moteur moléculaire."