Un groupe de physiciens a récemment construit le plus petit moteur jamais créé à partir d'un seul atome. Comme tout autre moteur, il convertit l'énergie thermique en mouvement, mais à plus petite échelle qu'auparavant. L'atome est piégé dans un cône d'énergie électromagnétique et des lasers sont utilisés pour le chauffer et le refroidir, ce qui fait que l'atome se déplace d'avant en arrière dans le cône comme un piston de moteur.

Les scientifiques de l'université de Mayence en Allemagne qui sont à l'origine de l'invention n'ont pas en tête une utilité particulière pour le moteur. Mais c'est une bonne illustration de la façon dont nous sommes de plus en plus capables de reproduire les machines de tous les jours sur lesquelles nous comptons à petite échelle. Cela ouvre la voie à des possibilités passionnantes à l'avenir, notamment dans l'utilisation des nanorobots en médecine, qui pourraient être envoyés dans le corps pour libérer des médicaments ciblés ou même combattre des maladies telles que le cancer.

La nanotechnologie traite des objets ultra-petits équivalents à un milliardième de mètre, ce qui semble une échelle incroyablement petite à laquelle construire des machines. Mais la taille est relative à la proximité avec un objet. Nous ne pouvons pas voir les choses à l'échelle nanométrique à l'œil nu, tout comme nous ne pouvons pas voir les planètes extérieures du système solaire. Pourtant, si nous zoomons – avec un télescope pour les planètes ou un puissant microscope électronique pour les nano-objets – alors nous changeons de cadre de référence et les choses sont très différentes.

Cependant, même après avoir regardé de plus près, nous ne pouvons toujours pas construire de machines à l'échelle nanométrique en utilisant des outils d'ingénierie conventionnels. Alors que les machines ordinaires, comme les moteurs à combustion interne dans la plupart des voitures, fonctionnent selon les règles de la physique énoncées par Isaac Newton, les choses à l'échelle nanométrique suivent les lois plus complexes de la mécanique quantique. Nous avons donc besoin de différents outils qui prennent en compte le monde quantique afin de manipuler les atomes et les molécules d'une manière qui les utilise comme blocs de construction pour les nanomachines. Voici quatre autres petites machines qui pourraient avoir un grand impact.

Moteur graphène pour nanorobots

Des chercheurs de Singapour ont récemment démontré un moteur simple mais de taille nanométrique fabriqué à partir d'un morceau de graphène hautement élastique. Le graphène est une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone qui a une résistance mécanique exceptionnelle. L'insertion de molécules de chlore et de fluor dans le réseau de graphène et le tir d'un laser dessus provoquent l'expansion de la feuille. Allumer et éteindre rapidement le laser fait que le graphène pompe d'avant en arrière comme le piston d'un moteur à combustion interne.

Les chercheurs pensent que le nanomoteur de graphène pourrait être utilisé pour alimenter de minuscules robots, par exemple pour attaquer les cellules cancéreuses dans le corps. Ou il pourrait être utilisé dans un soi-disant "laboratoire sur puce" - un appareil qui réduit les fonctions d'un laboratoire de chimie en un petit emballage qui peut être utilisé pour des tests sanguins rapides, entre autres.

Nano-rotor sans friction

Les rotors qui produisent le mouvement dans les machines telles que les moteurs d'avion et les ventilateurs souffrent tous généralement de friction, ce qui limite leurs performances. La nanotechnologie peut être utilisée pour créer un moteur à partir d'une seule molécule, qui peut tourner sans aucun frottement. Les rotors normaux interagissent avec l'air selon les lois de Newton lorsqu'ils tournent et subissent ainsi des frottements. Mais, à l'échelle nanométrique, les rotors moléculaires suivent la loi quantique, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas avec l'air de la même manière et que la friction n'affecte donc pas leurs performances.

La nature nous a d'ailleurs déjà montré que les moteurs moléculaires sont possibles. Certaines protéines peuvent voyager le long d'une surface à l'aide d'un mécanisme de rotation qui crée un mouvement à partir d'énergie chimique. Ces protéines motrices sont à l'origine de la contraction des cellules et sont donc responsables de nos mouvements musculaires.

Des chercheurs allemands ont récemment rapporté avoir créé un rotor moléculaire en plaçant des molécules en mouvement à l'intérieur d'un minuscule trou hexagonal appelé nanopore dans un mince morceau d'argent. La position et le mouvement des molécules signifiaient qu'elles commençaient à tourner autour du trou comme un rotor. De nouveau, cette forme de nano-moteur pourrait être utilisée pour alimenter un petit robot autour du corps.

Nano-fusées contrôlables

Une fusée est le véhicule artificiel le plus rapide qui peut voyager librement à travers l'univers. Plusieurs groupes de chercheurs ont récemment construit un système à grande vitesse, version nanométrique télécommandée d'une fusée en combinant des nanoparticules avec des molécules biologiques.

Dans un cas, le corps de la fusée était fait d'une bille de polystyrène recouverte d'or et de chrome. Celui-ci a été attaché à plusieurs molécules de "moteur catalytique" à l'aide de brins d'ADN. Lorsqu'il est placé dans une solution de peroxyde d'hydrogène, les molécules du moteur ont provoqué une réaction chimique qui a produit des bulles d'oxygène, forçant la fusée à se déplacer dans la direction opposée. Faire briller un faisceau de lumière ultraviolette sur un côté de la fusée provoque la rupture de l'ADN, détacher les moteurs et changer le sens de déplacement de la fusée. Les chercheurs espèrent développer la fusée afin qu'elle puisse être utilisée dans n'importe quel environnement, par exemple pour administrer des médicaments à une zone cible du corps.

Nano-véhicules magnétiques pour transporter des médicaments

Mon propre groupe de recherche fait partie de ceux qui travaillent sur un moyen plus simple de transporter des médicaments à travers le corps qui est déjà exploré avec des nanoparticules magnétiques. Les médicaments sont injectés dans une structure de coque magnétique qui peut se dilater en présence de chaleur ou de lumière. Cela signifie que, une fois inséré dans le corps, ils peuvent être guidés vers la zone cible à l'aide d'aimants, puis activés pour étendre et libérer leur médicament.

La technologie est également à l'étude pour l'imagerie médicale. Créer les nanoparticules à rassembler dans certains tissus, puis scanner le corps avec une imagerie par résonance magnétique (IRM) pourrait aider à mettre en évidence des problèmes tels que le diabète.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.