Une méthode de mesure innovante a été utilisée à l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences à Varsovie pour estimer la puissance générée par des moteurs de taille moléculaire unique, ne comprenant que quelques dizaines d'atomes. Les résultats de l'étude sont d'une importance cruciale pour la construction des futures machines nanométriques - et ils n'incitent pas à l'optimisme.

Les nanomachines sont les appareils du futur. Composé d'un très petit nombre d'atomes, ils seraient de l'ordre du milliardième partie d'un mètre. La construction de nanomachines efficaces conduirait très probablement à une autre révolution de civilisation. C'est pourquoi les chercheurs du monde entier examinent diverses molécules en essayant de les faire fonctionner mécaniquement.

Des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) à Varsovie ont été parmi les premiers à avoir mesuré l'efficacité de machines moléculaires composées de quelques dizaines d'atomes. « Tout porte à croire que la puissance des moteurs composés d'un seul, molécules relativement petites est considérablement moindre que prévu", dit le Dr Andrzej ?ywoci?ski de l'IPC PAS, l'un des co-auteurs de l'article publié dans le Nanoéchelle journal.

Les moteurs moléculaires étudiés à l'IPC PAS sont des molécules de cristaux liquides smectiques de type C*, composé de quelques dizaines d'atomes (chaque molécule mesure 2,8 nanomètres de long). Après s'être déposé à la surface de l'eau, les molécules, dans des conditions appropriées, forment spontanément la couche la plus mince possible - une couche monomoléculaire de structure et de propriétés spécifiques. Chaque molécule de cristal liquide est composée d'une chaîne avec sa borne hydrophile ancrée à la surface de l'eau. Un temps relativement long, partie hydrophobe inclinée dépasse de la surface. Donc, La couche monomoléculaire ressemble à une forêt avec des arbres poussant à un certain angle. L'extrémité libre de chaque chaîne comprend deux groupes d'atomes disposés en croix avec des tailles différentes, formant une hélice bipale avec des pales de différentes longueurs. Lorsque les molécules d'eau en évaporation frappent les "hélices", la chaîne entière commence à tourner autour de son "ancre" en raison de l'asymétrie.

Les propriétés spécifiques des cristaux liquides et les conditions d'expérimentation donnent lieu à un mouvement en phase de molécules adjacentes dans la monocouche. On estime que des « étendues de la forêt » contenant jusqu'à un billion (10^12) de molécules, formant des zones de dimensions millimétriques à la surface de l'eau, sont capables de synchroniser leurs rotations. "De plus, les molécules que nous avons étudiées tournaient très lentement. Une rotation peut durer de quelques secondes à quelques minutes. C'est une propriété très recherchée. Les molécules tourneraient-elles avec, par exemple, fréquences mégahertz, leur énergie pouvait difficilement être transférée sur des objets plus gros", explique le Dr ?ywoci?ski.

Les estimations de puissance antérieures pour les nanomoteurs moléculaires étaient liées soit à des molécules beaucoup plus grosses, ou aux moteurs alimentés par des réactions chimiques. En outre, ces estimations ne tenaient pas compte de la résistance du milieu où travaillaient les molécules.

Libérer, les rotations collectives des molécules de cristaux liquides à la surface de l'eau peuvent être facilement observées et mesurées. Des chercheurs de l'IPC PAS ont vérifié comment la vitesse de rotation change en fonction de la température; ils ont également estimé les changements de viscosité (rotationnelle) dans le système à l'étude. Il s'est avéré que l'énergie du mouvement d'une seule molécule générée au cours d'une rotation est très faible :seulement 3,5·10^-28 joules. Cette valeur est jusqu'à dix millions de fois inférieure à l'énergie thermique du mouvement.

"Nos mesures sont un seau d'eau froide pour les concepteurs de nanomachines moléculaires", remarque le professeur Robert Ho?yst (IPC PAS).

Malgré une faible puissance, les molécules de cristal liquide en rotation peuvent trouver des applications pratiques. Cela est dû au fait qu'un grand ensemble de molécules en rotation collective génère une puissance proportionnellement plus élevée. De plus, un seul centimètre carré de la surface de l'eau peut accueillir de nombreux ensembles de ce type contenant chacun des milliards de molécules.

La même recherche à l'IPC PAS comprenait également une comparaison de la puissance générée par la rotation des molécules de cristaux liquides avec la puissance d'un seul moteur biologique - une très grosse molécule connue sous le nom d'adénosinetriphosphatase (ATPase). L'enzyme joue un rôle de pompe sodium-potassium dans les cellules animales. Avec des calculs appropriés, il a été estimé que la densité d'énergie générée dans une unité de volume était d'environ 100, 000 fois plus élevé pour l'ATPase que pour les cristaux liquides en rotation.

"Il a fallu des millions d'années à l'évolution pour développer une pompe moléculaire aussi efficace. Nous, humains, travaillent avec des machines moléculaires depuis quelques années ou peut-être une douzaine d'années seulement", commente le professeur Ho?yst et ajoute :"Donnez-nous juste un peu de temps".