La couverture de la nature
(PhysOrg.com) -- Réduit au max :le sans émission, voiture à 4 roues motrices silencieuse, développé conjointement par des chercheurs de l'Empa et leurs collègues néerlandais, représente la construction légère à son extrême. La nano-voiture se compose d'une seule molécule et se déplace sur quatre roues à entraînement électrique en ligne presque droite sur une surface en cuivre. Le « prototype » peut être admiré sur la couverture de la dernière édition de La nature .
Pour effectuer des travaux mécaniques, on se tourne généralement vers les moteurs, qui transforment chimique, l'énergie thermique ou électrique en énergie cinétique pour, dire, transporter des marchandises de A à B. La nature fait la même chose; dans les cellules, les protéines dites motrices – telles que la kinésine et l'actine des protéines musculaires – effectuent cette tâche. Habituellement, ils glissent le long d'autres protéines, semblable à un train sur rails, et dans le processus "brûler" l'ATP (adénosine triphosphate), le carburant chimique, pour ainsi dire, du monde vivant.
Mesurant environ 4x2 nanomètres, la voiture moléculaire avance sur une surface de cuivre sur quatre roues à entraînement électrique.
Un certain nombre de chimistes visent à utiliser des principes et des concepts similaires pour concevoir des machines de transport moléculaire, qui pourraient alors effectuer des tâches spécifiques à l'échelle nanométrique. Selon un article du dernier numéro du magazine scientifique « Nature », des scientifiques de l'Université de Groningue et de l'Empa ont franchi avec succès « un pas décisif sur la voie des systèmes de transport artificiels à l'échelle nanométrique ». Ils ont synthétisé une molécule à partir de quatre unités motrices rotatives, c'est-à-dire des roues, qui peut avancer tout droit de manière contrôlée. « Pour ce faire, notre voiture n'a besoin ni de rails ni d'essence; il fonctionne à l'électricité. Ce doit être la plus petite voiture électrique du monde – et elle est même équipée de 4 roues motrices », commente Karl-Heinz Ernst, chercheur à l'Empa.
Autonomie par réservoir de carburant :encore des progrès à faire
Le bémol :la petite voiture, qui mesure environ 4x2 nanomètres - environ un milliard de fois plus petit qu'une VW Golf - doit être ravitaillé en électricité après chaque demi-tour des roues - via la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM). Par ailleurs, en raison de leur conception moléculaire, les roues ne peuvent tourner que dans un sens. « En d'autres termes :il n'y a pas de marche arrière », dit Ernst, qui est également professeur à l'Université de Zurich, laconiquement.
Selon son « plan de construction », l'entraînement de la molécule organique complexe fonctionne comme suit :après l'avoir sublimée sur une surface de cuivre et positionné dessus une pointe STM en laissant un espace raisonnable, collègue d'Ernst, Manfred Parschau, appliqué une tension d'au moins 500 mV. Maintenant, les électrons devraient « tunnel » à travers la molécule, déclenchant ainsi des changements structurels réversibles dans chacune des quatre unités motrices. Elle débute par une isomérisation cis-trans se déroulant au niveau d'une double liaison, une sorte de réarrangement – dans une position spatiale extrêmement défavorable, bien que, dans lequel de grands groupes latéraux se battent pour l'espace. Par conséquent, les deux groupes latéraux s'inclinent pour se dépasser et retrouvent leur position d'origine énergétiquement plus favorable – la roue a effectué un demi-tour. Si les quatre roues tournent en même temps, la voiture doit avancer. Au moins, selon la théorie basée sur la structure moléculaire.
Conduire ou ne pas conduire – une simple question d'orientation
Et c'est ce qu'ont observé Ernst et Parschau :après dix stimulations STM, la molécule avait avancé de six nanomètres – en ligne plus ou moins droite. « Les écarts par rapport à la trajectoire prévue résultent du fait qu'il n'est pas du tout anodin de stimuler les quatre unités motrices en même temps », explique le « pilote d'essai » Ernst.
Une autre expérience a montré que la molécule se comporte vraiment comme prévu. Une partie de la molécule peut tourner librement autour de l'axe central, une liaison simple C-C - le châssis de la voiture, pour ainsi dire. Il peut donc « atterrir » sur la surface du cuivre selon deux orientations différentes :dans la bonne, dans laquelle les quatre roues tournent dans le même sens, et dans le mauvais, dans lequel les roues de l'essieu arrière tournent vers l'avant mais les roues avant tournent vers l'arrière - lors de l'excitation, la voiture reste à l'arrêt. Ernst und Parschau ont pu observer cela, trop, avec la STM.
Par conséquent, les chercheurs ont atteint leur premier objectif, une « preuve de concept », c'est-à-dire qu'ils ont pu démontrer que des molécules individuelles peuvent absorber l'énergie électrique externe et la transformer en un mouvement ciblé. La prochaine étape envisagée par Ernst et ses collègues est de développer des molécules qui peuvent être entraînées par la lumière, peut-être sous la forme de lasers UV.
