Une collaboration de scientifiques a proposé un modèle pour un photomoteur dipôle nanométrique basé sur le phénomène de redistribution de charge induite par la lumière. Déclenché par une impulsion laser, ce petit appareil est capable d'effectuer un mouvement dirigé à une vitesse record et est suffisamment puissant pour supporter une certaine charge. Les résultats de la recherche ont été publiés dans le Journal de physique chimique .

« Les caractéristiques inédites des photomoteurs dipôles basés sur des nanoclusters semi-conducteurs offrent des perspectives au-delà de la résolution d'une certaine rareté de la famille des photomoteurs translationnels. Ces dispositifs pourraient en fait être utilisés partout où un transport rapide des nanoparticules est requis. En chimie et en physique, ils pourraient aider à développer de nouveaux instruments analytiques et synthétiques, en biologie et médecine, ils pourraient être utilisés pour administrer des médicaments aux tissus malades, améliorer les stratégies de thérapie génique, etc, " déclare le professeur Leonid Trakhtenberg du Département de physique moléculaire et chimique du MIPT, qui est le chef de l'équipe de recherche et le chef du laboratoire des nanocomposites fonctionnels à l'ICP RAS.

Le professeur Trakhtenberg a collaboré avec le professeur Viktor Rozenbaum, qui dirige le département de théorie des systèmes nanostructurés à l'ISC NASU, développer la théorie du transport moléculaire photo-induit. Cette théorie fournit un cadre pour la conception de nanomachines dont le mouvement peut être contrôlé par un laser. Les scientifiques ont établi la relation entre plusieurs paramètres du modèle (par exemple, dimensions des particules, conditions de photoexcitation, etc.), et la caractéristique de performance clé de l'appareil, sa vitesse moyenne.

moteurs browniens

Les nanomoteurs dirigés ont des prototypes dans la nature. Les organismes vivants utilisent des dispositifs protéiques entraînés par des processus externes hors d'équilibre de nature différente. Ceux-ci sont appelés browniens, ou des moteurs moléculaires. Ils sont capables de convertir un mouvement brownien aléatoire en mouvement de translation dirigé, réciprocité, ou rotation. Les moteurs browniens sont impliqués dans la contraction musculaire, mobilité cellulaire (motilité flagellaire des bactéries), et le transport intra- et intercellulaire des organites et des particules relativement grosses de diverses substances (par exemple, phagocytose, ou "cell manger, " et l'élimination des déchets métaboliques de la cellule). Ces appareils fonctionnent avec une efficacité étonnamment élevée approchant les 100 %.

« La compréhension des mécanismes sous-jacents au fonctionnement des moteurs moléculaires naturels nous permet non seulement de les reproduire, mais également de concevoir de nouveaux dispositifs artificiels multifonctionnels hautement efficaces qui pourraient éventuellement être appliqués à la nanorobotique. Au cours des dernières décennies, chercheurs et ingénieurs de divers domaines travaillent ensemble et font de réels progrès vers le développement de nanomachines contrôlables. Les résultats de leurs travaux ont été reconnus comme une réalisation très pertinente et une avancée significative dans la science et la technologie lorsque le prix Nobel de chimie 2016 a été décerné pour la conception et la synthèse de machines moléculaires, " dit le Pr Rozenbaum.

Un moteur brownien fonctionne en commutant entre au moins deux états discrets, qui est obtenu au moyen de réactions chimiques, action thermique, signaux alternatifs, ou des impulsions lumineuses. Dans le dernier cas, l'appareil est appelé photomoteur.

Il y a environ 10 ans, un modèle a été développé pour décrire le travail d'un photomoteur dipôle translationnel qui fonctionne via la photoexcitation de la molécule dans un état avec un moment dipolaire différent de celui de l'état fondamental. Plus la différence entre les moments dipolaires totaux de la nanoparticule dans les deux états d'énergie est grande, plus la vitesse moyenne et l'efficacité du moteur sont élevées.

Déclenchement laser

Le moteur proposé est activé par une impulsion laser résonante, qui excite des électrons dans le nanocluster semi-conducteur en forme de cylindre provoquant une séparation des charges et donnant lieu à une interaction électrostatique entre la particule et le substrat polaire. Soumettre le nanocylindre à des impulsions laser résonantes périodiques fait varier dans le temps son énergie potentielle dans le champ du substrat, qui à son tour permet un mouvement dirigé (voir schéma).

Les photomoteurs basés sur des nanoparticules inorganiques surpassent leurs homologues basés sur des molécules organiques en termes d'efficacité et de vitesse moyenne. Dans un nanocluster semi-conducteur en forme de cylindre, la valeur du moment dipolaire avant irradiation est proche de zéro, mais la photoexcitation d'un électron de la masse à la surface donne lieu à un énorme moment dipolaire (environ 40 D pour un cylindre d'une hauteur d'environ 15 ).

"Du fait que les paramètres de l'appareil ont été optimisés, notre photomoteur modèle proposé basé sur un nanocylindre semi-conducteur se déplace à une vitesse record de 1 mm/s, ce qui est environ trois ordres de grandeur plus rapide que des modèles similaires basés sur des molécules organiques ou des protéines motrices dans les organismes vivants, " disent les auteurs.