Les scientifiques ont découvert qu'un espace à l'intérieur d'un type spécial de molécule de carbone peut être utilisé pour emprisonner d'autres molécules plus petites telles que l'hydrogène ou l'eau.

La cavité de taille nanométrique du Buckminsterfullerene C60 sphérique creux - ou bucky ball - crée efficacement un "nanolaboratoire", permettant une étude détaillée des principes de mécanique quantique qui déterminent le mouvement de la molécule en cage, y compris le mystérieux comportement ondulatoire qui est une propriété fondamentale de toute matière.

Des expérimentations par la collaboration internationale de chercheurs, y compris des physiciens de l'Université de Nottingham, ont révélé le comportement ondulatoire et montré comment les molécules H2 et H2O emprisonnées « sonnent quantiques » dans leur cage.

Professeur Tony Horsewill, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Nottingham, a déclaré:"Pour moi, une grande partie de la motivation pour mener cette enquête est venue du pur plaisir d'étudier une molécule aussi unique et magnifique et de révéler les informations fascinantes qu'elle a données sur les principes fondamentaux de la dynamique moléculaire quantique. Intellectuellement, ça a été extrêmement agréable.

"Toutefois, comme pour toute initiative de recherche blue-skies, il y a toujours la promesse de nouvelles, souvent imprévu, applications. En effet, dans le cas des molécules d'eau à l'intérieur des boules de Bucky, nous avons une molécule invitée qui possède un moment dipolaire électrique et la collaboration étudie déjà son utilisation en électronique moléculaire, y compris en tant que composant innovant d'un transistor moléculaire."

La recherche, qui impliquait des scientifiques des États-Unis, Japon, La France, l'Estonie et les universités de Nottingham et Southampton au Royaume-Uni, a récemment été publié dans la prestigieuse revue Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

La découverte du Buckminsterfullerene C60, et la classe de molécules apparentée les fullerènes, au milieu des années 1980 a valu aux professeurs Harry Kroto, Robert Curl et le regretté Richard Smalley le prix Nobel de chimie en 1996.

Il a une structure sphérique en forme de cage composée de 20 hexagones et 12 pentagones et ressemble à un ballon de football, ce qui lui a valu le surnom de « boule bucky ».

Dans une percée récente en chimie de synthèse, les scientifiques japonais de Kyoto ont inventé une technique de chirurgie moléculaire leur permettant de sceller de façon permanente de petites molécules telles que H2 et H2O à l'intérieur du C60.

Ils ont utilisé un ensemble de procédures chirurgicales synthétiques pour ouvrir la « cage » C60, produisant une ouverture suffisamment grande pour « pousser » une molécule H2 ou H2O à l'intérieur à haute température et pression. Le système a ensuite été refroidi pour stabiliser la molécule piégée à l'intérieur et la cage a été réparée chirurgicalement pour reproduire un C60.

Le professeur Horsewill a ajouté:"Cette technique réussit à combiner peut-être la plus belle molécule C60 de l'univers avec sa plus simple."

Le groupe de recherche de Nottingham a utilisé une technique appelée diffusion inélastique des neutrons (INS) où un faisceau de neutrons, particules fondamentales qui composent le noyau atomique, est utilisé pour étudier le mouvement de « cliquetis de la cage » des molécules invitées dans le C60.

Leurs recherches ont donné un aperçu de la nature ondulatoire des molécules H20 et H2 et de leur mouvement orbital et rotationnel lorsqu'elles se déplacent dans le C60.

Professeur Malcolm Levitt, de l'École de chimie de l'Université de Southampton, qui a utilisé la technique de résonance magnétique nucléaire (RMN) pour étudier les propriétés quantiques des molécules en cage, a déclaré:"En confinant de petites molécules telles que l'eau dans des cages de fullerène, nous fournissons l'environnement contrôlé d'un laboratoire mais à l'échelle d'environ un nanomètre.

"Dans ces conditions, les molécules confinées révèlent une nature ondulatoire et se comportent selon les lois de la mécanique quantique. Outre leur intérêt intrinsèque, nous nous attendons à ce que les propriétés spéciales de ces matériaux conduisent à une variété d'applications, telles que de nouvelles façons d'éclaircir les images des IRM, et de nouveaux types de mémoire informatique."

L'ouvrage publié dans le PNAS papier a également identifié séparément deux formes subtilement différentes de H2O - l'ortho-eau et la para-eau. Ces soi-disant isomères de spin nucléaires doivent également leurs identités distinctes aux principes de la mécanique quantique.