Représentation artistique d'une nanomachine combinant des sous-unités moteur (rouge et bleu) et embrayage (vert et violet) reliées par des sous-unités de transmission (chaînes polymères représentées sous forme de cordes). Ces deux types de sous-unités tournent dans des directions opposées lorsqu'elles sont exposées à deux sources lumineuses distinctes. Lorsque les moteurs tournent (activés par la lumière UV), ils tressent les paires de chaînes polymères, et les contrats matériels. Lorsque les sous-ensembles d'embrayage tournent (sous l'effet de la lumière blanche), ils détressent les chaînes polymères, et la matière s'étend. En variant l'intensité lumineuse, il est possible de moduler la fréquence relative du tressage et du détressage, et de gérer ainsi la transmission globale du mouvement, semblable à la boîte de vitesses d'un véhicule. Le sous-ensemble moteur est représenté en détail en bas à droite, et la sous-unité du modulateur en haut à gauche. Crédit :Gad Fuks / Nicolas Giuseppone / Mathieu Lejeune/ Woverwolf/Shutterstock.com
Récompensé par un prix Nobel de chimie en 2016, les nanomachines fournissent un travail mécanique à la plus petite des échelles. Pourtant, à de si petites dimensions, les moteurs moléculaires ne peuvent accomplir ce travail que dans un seul sens. Des chercheurs de l'Institut Charles Sadron du CNRS, dirigé par Nicolas Giuseppone, professeur à l'Université de Strasbourg, en collaboration avec le Laboratoire de mathématiques d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), ont réussi à développer des machines moléculaires plus complexes qui peuvent fonctionner dans un sens et dans l'autre. Le système peut même être contrôlé avec précision, de la même manière qu'une boîte de vitesses. L'étude a été publiée dans Nature Nanotechnologie le 20 mars, 2017.
Les moteurs moléculaires peuvent produire un mouvement mécanique cyclique en utilisant une source d'énergie externe, comme une source chimique ou lumineuse, combiné au mouvement brownien (mouvement désorganisé et aléatoire des molécules environnantes). Cependant, les nanomoteurs sont exposés à des collisions moléculaires de toutes parts, ce qui complique la production d'un travail mécanique dirigé et donc utile. Les premiers moteurs moléculaires des années 2000 utilisaient le principe du « cliquet brownien, " qui comme une encoche sur une roue dentée qui empêche un mécanisme de reculer, va biaiser le mouvement brownien de sorte que le moteur ne fonctionne que dans un seul sens. Cela permet de fournir un travail utilisable, mais il ne permet pas un changement de direction.
L'équipe de recherche s'est donc attachée à trouver une solution pour inverser ce mouvement, ce qu'ils ont fait en connectant des moteurs à des modulateurs moléculaires (sous-unités d'embrayage) à l'aide de chaînes polymères (sous-unités de transmission). Un modèle mathématique a également été établi pour comprendre le comportement de ce réseau.
Lorsqu'il est exposé à une irradiation ultraviolette, les moteurs tournent tandis que les modulateurs restent immobiles. Les chaînes polymères s'enroulent ainsi sur elles-mêmes, et se contracte comme un élastique qui se raccourcit en se tordant. Le phénomène peut être observé à une échelle macroscopique, car les molécules forment un matériau qui se contracte.
Lorsque les molécules sont exposées à la lumière visible, les moteurs s'arrêtent et les modulateurs sont activés. L'énergie mécanique stockée dans les chaînes polymères fait alors tourner les modulateurs dans le sens inverse du mouvement d'origine, et la matière s'étend.
Plus spectaculaire encore, les chercheurs ont pu démontrer que le rythme et la vitesse du travail produit peuvent être soigneusement régulés grâce à une combinaison de lumière UV et visible, comme une boîte de vitesses fonctionnant par modulations de fréquence entre les moteurs et les modulateurs. L'équipe tente maintenant d'utiliser cette étude pour développer des dispositifs photomécaniques qui peuvent fournir un travail mécanique contrôlé par la lumière.
