Des chimistes de l'Université Tufts ont développé le premier moteur électrique à molécule unique au monde, ce qui peut potentiellement créer une nouvelle classe d'appareils qui pourraient être utilisés dans des applications allant de la médecine à l'ingénierie. Le moteur moléculaire était alimenté par l'électricité à partir d'un état de l'art, microscope à effet tunnel à basse température. Ce microscope a envoyé un courant électrique à travers la molécule, faire tourner la molécule dans un sens ou dans un autre. La molécule avait une base soufrée (jaune); lorsqu'il est placé sur une plaque conductrice de cuivre (orange), il s'est ancré à la surface. La molécule contenant du soufre avait des atomes de carbone et d'hydrogène rayonnant pour former ce qui ressemble à deux bras (gris); ces chaînes carbonées étaient libres de tourner autour de la liaison centrale soufre-cuivre. Les chercheurs ont découvert que réduire la température de la molécule à cinq Kelvin (K), ou environ moins 450 degrés Fahrenheit (ºF), leur a permis d'avoir un impact précis sur la direction et la vitesse de rotation du moteur moléculaire. L'équipe Tufts envisage de soumettre ce moteur électrique miniature au Guinness World Records. La recherche a été publiée en ligne le 4 septembre dans Nature Nanotechnologie. Crédit :Heather L. Tierney, Colin J. Murphy, April D. Jewell, Ashleigh E. Baber, Erin V. Iski, Harout Y. Khodaverdian, Allister F. McGuire, Nikolai Klebanov et E. Charles H. Sykes.
Des chimistes de l'École des arts et des sciences de l'Université Tufts ont développé le premier moteur électrique à molécule unique au monde, un développement qui pourrait potentiellement créer une nouvelle classe d'appareils qui pourraient être utilisés dans des applications allant de la médecine à l'ingénierie.
Dans une recherche publiée en ligne le 4 septembre dans Nanotechnologie naturelle, l'équipe Tufts rapporte un moteur électrique qui mesure à peine 1 nanomètre de diamètre, travail révolutionnaire étant donné que le record du monde actuel est un moteur de 200 nanomètres. Une seule mèche de cheveux humains est d'environ 60, 000 nanomètres de large.
Selon E. Charles H. Sykes, Doctorat., professeur agrégé de chimie à Tufts et auteur principal de l'article, l'équipe prévoit de soumettre le moteur électrique construit par Tufts à Guinness World Records.
« Il y a eu des progrès significatifs dans la construction de moteurs moléculaires alimentés par la lumière et par des réactions chimiques, mais c'est la première fois que des moteurs moléculaires à entraînement électrique sont démontrés, malgré quelques propositions théoriques, ", explique Sykes. "Nous avons pu montrer que vous pouvez fournir de l'électricité à une seule molécule et lui faire faire quelque chose qui n'est pas simplement aléatoire."
Sykes et ses collègues ont pu contrôler un moteur moléculaire avec de l'électricité en utilisant un état de l'art, microscope à effet tunnel à basse température (LT-STM), l'un des quelque 100 seulement aux États-Unis. Le LT-STM utilise des électrons au lieu de la lumière pour "voir" les molécules.
L'équipe a utilisé la pointe métallique du microscope pour fournir une charge électrique à une molécule de sulfure de butylméthyle qui avait été placée sur une surface de cuivre conductrice. Cette molécule contenant du soufre avait des atomes de carbone et d'hydrogène rayonnant pour former ce qui ressemblait à deux bras, avec quatre carbones d'un côté et un de l'autre. Ces chaînes carbonées étaient libres de tourner autour de la liaison soufre-cuivre.
L'équipe a déterminé qu'en contrôlant la température de la molécule, ils pourraient avoir un impact direct sur la rotation de la molécule. Températures autour de 5 Kelvin (K), ou environ moins 450 degrés Fahrenheit (ºF), s'est avéré être l'idéal pour suivre le mouvement du moteur. A cette température, les chercheurs de Tufts ont pu suivre toutes les rotations du moteur et analyser les données.
Bien qu'il existe des applications pratiques prévisibles avec ce moteur électrique, des percées devraient être faites dans les températures auxquelles les moteurs moléculaires électriques fonctionnent. Le moteur tourne beaucoup plus vite à des températures plus élevées, rendant difficile la mesure et le contrôle de la rotation du moteur.
"Une fois que nous aurons mieux compris les températures nécessaires au fonctionnement de ces moteurs, il pourrait y avoir une application dans le monde réel dans certains dispositifs de détection et médicaux qui impliquent de minuscules tuyaux. Le frottement du fluide contre les parois du tuyau augmente à ces petites échelles, et couvrir le mur avec des moteurs pourrait aider à conduire les fluides, " a déclaré Sykes. " Le couplage du mouvement moléculaire avec des signaux électriques pourrait également créer des engrenages miniatures dans des circuits électriques à l'échelle nanométrique; ces engrenages pourraient être utilisés dans des lignes à retard miniatures, qui sont utilisés dans des appareils comme les téléphones portables."
Le visage changeant de la chimie
Les étudiants du secondaire au doctorat ont joué un rôle essentiel dans la tâche complexe de collecter et d'analyser le mouvement des minuscules moteurs moléculaires.
« L'implication dans ce type de recherche peut être instructive, et dans certains cas changer la vie, expérience pour les étudiants, " a déclaré Sykes. " Si nous pouvons intéresser les gens aux sciences plus tôt, à travers des projets comme celui-ci, il y a de plus grandes chances que nous puissions avoir un impact sur la carrière qu'ils choisissent plus tard dans la vie."
Comme preuve qu'acquérir tôt une base scientifique peut être important, l'un des lycéens impliqués dans la recherche, Nikolaï Klebanov, a continué à s'inscrire à Tufts; il est maintenant en deuxième année avec une spécialisation en génie chimique.
