Un groupe de chimistes de Manchester a réussi pour la première fois à nouer une série de nœuds microscopiques en utilisant des molécules individuelles, inaugurant l'avènement d'une forme de tissage à l'échelle nanométrique qui pourrait créer une nouvelle génération de matériaux avancés.

Le groupe basé à l'Université de Manchester a développé un moyen de lier un brin moléculaire artificiel de 15 nanomètres (15 millionièmes de millimètre) à l'un des trois nœuds différents, comme s'il utilisait un morceau de ficelle.

Un morceau de ficelle peut être attaché à différents nœuds, certains avec des propriétés distinctives qui peuvent être exploitées pour différentes fonctions, des lacets aux nœuds coulants, attelages, coudes et nœuds d'arrêt. Certains des équipements les plus avancés jamais développés, y compris le NASA Curiosity Rover utilisé sur Mars, utiliser des nœuds pour effectuer des tâches clés. Bien que certaines molécules d'ADN et de protéines existent sous forme nouée, auparavant, il n'était pas possible de lier une molécule à plus d'un nœud complexe.

La nouvelle recherche publiée aujourd'hui dans la revue La nature , démontre comment les scientifiques ont pu imiter les processus biologiques moléculaires naturels pour créer des alternatives en laboratoire pour une gamme d'applications potentielles. La biologie utilise des « assistants moléculaires » appelés chaperons pour replier les protéines en structures nouées et les scientifiques de Manchester ont appliqué le même concept à un brin moléculaire synthétique utilisant des atomes métalliques pour guider le processus de repliement.

Professeur David Leigh, de l'Université de Manchester a dirigé la recherche, il a dit :« Nous avons pu nouer différents nœuds dans un brin moléculaire en utilisant des atomes métalliques pour plier et entrelacer le brin. Les deux sites verts se lient à un atome de cuivre; les trois sites violets se lient à un atome de lutétium. Rejoindre les groupes terminaux empêche le dénouement du nœud lorsque les atomes de métal sont retirés."

Le même groupe avait auparavant noué le plus petit nœud du monde et a maintenant progressé dans ses recherches ici en utilisant des méthodes de base qui seraient familières à tous ceux qui ont rejoint les scouts. Être capable de faire différents types de nœuds moléculaires signifie que les scientifiques devraient être en mesure de sonder comment le nouage affecte la résistance et l'élasticité des matériaux, ce qui leur permettra de tisser des brins de polymère pour générer de nouveaux types de matériaux.

La clé était d'intercaler des sites de liaison pour différents ions métalliques le long du brin moléculaire. Lorsqu'un atome de métal se lie à des sites spécifiques sur le fil, le fil se plie, créant un « enchevêtrement » dans le fil. Différents enchevêtrements se combinent pour former des nœuds plus gros selon la théorie de l'enchevêtrement (développée par le mathématicien John H. Conway, également connu pour avoir développé 'Game of Life'). Différentes combinaisons d'ions métalliques (cuivre et/ou lutétium, ou aucun, autorisé l'un des trois nœuds différents - un dénoué, un nœud de trèfle, et un nœud à trois torsion — à nouer dans le même brin moléculaire.

Lier le brin moléculaire en différents nœuds modifie ses propriétés. Lorsque le brin est attaché au plus serré, le plus complexe, nœud - le nœud à trois torsion - il peut lier deux atomes de métal simultanément, un atome de cuivre et un atome de lutétium. Cependant, les nœuds plus lâches (par exemple le nœud trèfle et le nœud dénoué) ne peuvent lier qu'un atome de métal à la fois - soit un atome de cuivre, ou un atome de lutétium. De façon inattendue, la reliure en métal peut également changer la façon dont la boucle nouée est enchevêtrée, comme un jeu moléculaire du berceau du chat.

La capacité de lier un brin moléculaire en différents nœuds, et par la suite changer la région et le degré d'enchevêtrement, ouvre de nouvelles opportunités et directions de recherche pour modifier la fonction et les propriétés d'autres chaînes moléculaires, comme les polymères et les plastiques.