La nouvelle génération du moteur moléculaire sous lumière infrarouge. Crédit :Nong Hoang, Université de Groningue
Les moteurs moléculaires contrôlés par la lumière peuvent être utilisés pour créer des matériaux fonctionnels afin de fournir un mouvement autonome, ou dans des systèmes qui peuvent répondre sur commande. Pour les applications biologiques, cela nécessite que les moteurs soient entraînés par une faible énergie, lumière de faible intensité qui pénètre dans les tissus. Les chimistes de l'Université de Groningue ont conçu un moteur rotatif qui est efficacement alimenté par la lumière proche infrarouge, en ajoutant une antenne à la molécule motrice. Le design et la fonctionnalité ont été présentés dans le journal Avancées scientifiques le 28 octobre.
Ben Feringa, Professeur de chimie organique à l'Université de Groningue, a présenté la conception et la construction du premier moteur moléculaire rotatif unidirectionnel entraîné par la lumière en 1999. En 2016, il a été l'un des trois lauréats du prix Nobel de chimie, pour la conception et la production de machines moléculaires. Ses moteurs moléculaires ont évolué depuis, mais une limitation majeure pour les applications a été qu'elles sont alimentées par la lumière ultraviolette. Dans de nombreuses applications, La lumière UV peut être nocive pour les matériaux environnants. Les tentatives d'utiliser des photons dans le proche infrarouge moins énergétiques pour alimenter ces moteurs ont jusqu'à présent échoué.
Énergie
L'adaptation de la molécule motrice pour accepter directement deux photons de basse énergie au lieu d'un photons de haute énergie n'a pas été couronnée de succès. C'est pourquoi les scientifiques du laboratoire Feringa ont maintenant essayé une approche différente. Par une liaison covalente, la molécule motrice était liée à une antenne capable d'absorber deux photons dans le proche infrarouge. L'excitation résultante de l'antenne est ensuite transmise à la partie motrice de la molécule.
Une grande partie de ce travail a été réalisée par Lukas Pfeifer, chercheur postdoctoral au laboratoire Feringa, qui travaille aujourd'hui à l'École polytechnique fédérale de Lausanne. "Pour que le système fonctionne, les niveaux d'énergie de l'antenne et du moteur devaient être étroitement réglés, " explique-t-il. Cela signifiait concevoir une version du moteur moléculaire qui nécessite la quantité exacte d'énergie que l'antenne fournit pour le mouvement. " Et il fallait également un linker qui permette à l'antenne d'être attachée sans interférer dans la rotation du moteur. "
Les scientifiques ont cherché des moyens d'utiliser la lumière proche infrarouge à la place, mais toutes les tentatives jusqu'à présent ont été infructueuses. Des chercheurs de l'Université de Groningue ont maintenant conçu une antenne qui absorbe l'énergie de la lumière proche infrarouge. Cette antenne était attachée à la molécule motrice, où il transmet l'énergie directement à l'essieu qui entraîne le mouvement du moteur. Le résultat est une molécule motrice alimentée par la lumière proche infrarouge, ce qui rapproche un peu plus les applications médicales. Crédit :Nong Hoang et Lukas Pfeiffer
Simple
"C'est un transfert direct de l'état excité, très similaire à la façon dont deux cordes d'une guitare résonneront lorsque l'une d'elles est frappée, " explique Maxim Pshenichnikov, Professeur de spectroscopie ultrarapide à l'Université de Groningue et l'un des auteurs de la Avancées scientifiques papier. L'idée semble assez simple. "Si vous savez comment ça marche, ça devient vraiment simple, " dit Pshenichnikov. " Mais la conception chimique n'était certainement pas anodine. "
Une séquence complexe d'événements mettant le moteur en mouvement se déroule sur une très large plage de temps, à partir de picosecondes (10 -12 s) en minutes. Les différents régimes temporels ont été étudiés par Pfeifer par RMN et par Nong Hoang, un doctorat étudiant dans le groupe de recherche de Pshenichnikov, en utilisant la spectroscopie ultrarapide. D'abord, l'antenne capte deux photons dans le proche infrarouge. Ceci est suivi par le transfert d'énergie qui initie le mouvement du moteur. Heureusement, la conception a fonctionné très efficacement.
Rêver
"Après de nombreuses années de conception de moteurs moléculaires, être capable de surmonter le besoin de lumière UV à haute énergie pour alimenter ces moteurs rotatifs moléculaires est comme un rêve devenu réalité, " déclare Ben Feringa. " Je pense que nos résultats représentent une étape importante dans la conception de moteurs moléculaires artificiels et offrent de nombreuses perspectives d'applications futures, allant des matériaux réactifs aux systèmes biomoléculaires."
L'étape suivante consiste à simplifier la structure du complexe moteur-antenne. Cela permettrait l'introduction de fonctionnalités supplémentaires. Une application possible de la nouvelle molécule motrice est de fonctionner comme un déclencheur pour libérer le contenu d'une vésicule dans un système biologique. Pshenichnikov :"Je suis vraiment curieux de voir comment la prochaine génération de ce système va évoluer."
Résumé scientifique simple
En 1999, Ben Feringa, professeur de chimie organique à l'Université de Groningue, a créé le premier moteur moléculaire actionné par la lumière. Ces petits moteurs pourraient être utilisés dans toutes sortes d'applications nanotechnologiques, par exemple dans la livraison de médicaments. Cependant, ils sont alimentés par la lumière ultraviolette, ce qui peut être nocif. Les scientifiques ont cherché des moyens d'utiliser la lumière proche infrarouge à la place, mais toutes les tentatives jusqu'à présent ont été infructueuses. Des chercheurs de l'Université de Groningue ont maintenant conçu une antenne qui absorbe l'énergie de la lumière proche infrarouge. Cette antenne était attachée à la molécule motrice, où il transmet l'énergie directement à l'essieu qui entraîne le mouvement du moteur. Le résultat est une molécule motrice alimentée par la lumière proche infrarouge, ce qui rapproche un peu plus les applications médicales.
