Les éléments constitutifs de la charpente métallo-organique motorisée « cages » et le cristal contenant un grand nombre de « cages ». Crédit :Université de Groningue
Pour que les moteurs moléculaires soient exploités efficacement, ils doivent être capables de fonctionner à l'unisson. Cependant, intégrer des milliards de ces moteurs de taille nanométrique dans un seul système et les faire fonctionner à l'unisson s'est avéré être tout un défi. Les chimistes organiques de l'Université de Groningue ont maintenant réussi à intégrer de nombreux moteurs rotatifs unidirectionnels entraînés par la lumière dans un cadre métal-organique (un matériau solide avec une structure en forme de cage 3-D). Les détails de leur découverte ont été publiés le 18 mars, dans la revue Nature Nanotechnologie .
Les moteurs moléculaires rotatifs entraînés par la lumière ont d'abord été créés par Ben Feringa, un chimiste organique à l'Université de Groningen. Le professeur Feringa et deux autres personnes ont partagé le prix Nobel de chimie 2016 pour cette découverte. Des groupes de divers types de moteurs moléculaires nanométriques ont été fixés aux surfaces et incorporés dans des gels, cristaux liquides et fibres musculaires où ils peuvent effectuer un travail à une échelle macro, par l'action coopérative. Cependant, la création d'un réseau ordonné de ces moteurs dans un matériau à l'état solide 3-D a, jusqu'à maintenant, restait hors de notre portée.
Cristaux
Une équipe de scientifiques de l'Université de Groningue, dirigé par Ben Feringa, Professeur adjoint Sander Wezenberg, et le professeur Wesley Browne, relevé ce défi. Ils ont maintenant produit un système de travail contenant 3 x 10 20 (un trois suivi de 20 zéros) moteurs rotatifs unidirectionnels entraînés par la lumière par centimètre cube, qui fonctionnent tous à l'unisson.
Les scientifiques ont logé les moteurs dans des cadres métallo-organiques (MOF), des cages moléculaires faites de métaux avec des « entretoises » interconnectées de molécules organiques. Des empilements tridimensionnels ordonnés de ces cages moléculaires forment des cristaux. Une fois qu'ils ont fait pousser ces cristaux, l'équipe a remplacé les piliers verticaux par des molécules motrices, en utilisant un procédé connu sous le nom d'échange de lieurs assisté par solvant. Il n'a pas été possible d'insérer les moteurs plus tôt, car ils n'auraient pas pu résister aux conditions nécessaires à la synthèse des MOF.
« cage » unique avec les moteurs rotatifs entraînés par la lumière en jaune. Crédit :Université de Groningue
Piliers
Les composants statoriques des moteurs moléculaires fonctionnent comme les piliers des cages, tandis que les composants du rotor restent libres à l'intérieur des cages. Les cages ont été conçues pour être suffisamment grandes pour permettre aux moteurs de fonctionner librement, sans entrave. Les moteurs eux-mêmes étaient alimentés en éclairant le cristal avec une lumière UV. Les tests sur ces systèmes ont montré que les moteurs étaient principalement orientés dans le même sens et que leur vitesse de rotation était similaire aux vitesses atteintes dans les liquides. L'équipe était ravie, car les tentatives précédentes d'autres groupes pour incorporer des rotaxanes (un autre type de machine moléculaire) dans les MOF ont montré que ces moteurs n'étaient pas capables de fonctionner librement.
Ainsi, il est désormais possible de créer un "MOF motorisé, " dans lequel un grand nombre de moteurs moléculaires sont regroupés de manière dense pour créer des cristaux macroscopiques. En théorie, des cristaux comme celui-ci pourraient être utilisés pour contrôler la diffusion des gaz, ou ils pourraient fonctionner comme des pompes alimentées par la lumière dans des systèmes microfluidiques. Une autre application potentielle serait d'alimenter le MOF motorisé avec des matériaux qui réagiraient ensuite à l'intérieur des cages avant d'être à nouveau pompés.
Cependant, beaucoup plus de recherches sont nécessaires avant que l'une de ces applications puisse devenir une réalité. Un problème potentiel, par exemple, est que les matières passant dans les cages pourraient gêner le fonctionnement des moteurs, provoquant le blocage du système. Néanmoins, le système présenté par le professeur Feringa et son équipe fournira un tremplin pour d'autres explorations du comportement collectif des moteurs rotatifs intégrés dans des réseaux 3D.
