Un train d'engrenages moléculaires composé de molécules en forme d'étoile. Crédit :Gwénaël Rapenne (NAIST et UPS)
Les trains d'engrenages ont été utilisés pendant des siècles pour traduire les changements de vitesse de rotation des engrenages en changements de force de rotation. Voitures, exercices, et fondamentalement, tout ce qui a des pièces en rotation les utilise. Les engrenages à l'échelle moléculaire sont une invention beaucoup plus récente qui pourrait utiliser la lumière ou un stimulus chimique pour initier la rotation des engrenages. Chercheurs de l'Institut des sciences et technologies de Nara (NAIST), Japon, en partenariat avec les équipes de recherche de l'Université Paul Sabatier, La France, rapport dans une nouvelle étude publiée dans Sciences chimiques un moyen de visualiser des instantanés d'un train d'engrenages ultra-petit - une chaîne d'engrenages interconnectés - au travail.
Chef de projet NAIST, le professeur Gwénaël Rapenne a consacré sa carrière à la fabrication de dispositifs mécaniques à l'échelle moléculaire, comme les roues et les moteurs. Les chercheurs ont récemment conçu une roue dentée pour un train d'engrenages moléculaires, mais n'ont actuellement aucun moyen de visualiser les engrenages en action.
« Le moyen le plus simple de surveiller le mouvement des engrenages moléculaires consiste à utiliser des images de microscopie à effet tunnel statique. À ces fins, l'une des dents des roues dentées doit être soit stériquement, soit électrochimiquement distincte des autres dents, " explique Rapenne.
Les chercheurs ont d'abord créé une roue dentée moléculaire comprenant cinq palettes, où une palette est plus longue de quelques atomes de carbone que les quatre autres palettes. Cependant, comme ils l'ont montré l'année dernière, les différences de longueur de palette perturbent le mouvement coordonné le long du train d'engrenages. Ainsi, les différences dans l'électrochimie des pales sont une approche de conception plus prometteuse mais synthétiquement plus difficile.
"Nous avons utilisé des études informatiques pour prédire si les unités électroattractrices ou la chimie des métaux pouvaient adapter les propriétés électroniques d'une pagaie, sans changer la taille de la pagaie, " dit Rapenne. De telles propriétés adaptées sont importantes car on peut les observer sous forme de différences de contraste en utilisant la microscopie à effet tunnel, et ainsi faciliter l'imagerie statique.
Un engrenage moléculaire pentaporphyrinique de 5 nm de large. Crédit :Gwénaël Rapenne (NAIST et UPS)
"Nos prototypes de roue dentée pentaporphyrinique contenaient une pale avec soit un substituant cyanophényle, soit un centre métallique de zinc plutôt que de nickel, " explique Rapenne. " Différentes techniques de spectroscopie ont confirmé les architectures de nos synthèses. "
Comment les chercheurs peuvent-ils utiliser ces roues dentées ? Imaginez faire briller un faisceau de lumière très concentré, ou en appliquant un stimulus chimique, à l'un des engrenages pour initier une rotation. Ce faisant, on pourrait faire tourner une série de roues dentées d'une manière coordonnée comme dans un train d'engrenages conventionnel, mais à l'échelle moléculaire qui consiste en la miniaturisation ultime des appareils. "Nous avons maintenant les moyens de visualiser de telles rotations, " note Rapenne.
En utilisant ce développement pour réaliser des études de mécanique de molécules uniques, Rapenne est optimiste quant au fait que la vaste communauté de recherche disposera d'une nouvelle conception puissante pour les machines nanométriques intégrées. "Nous n'en sommes pas encore là, mais travaillent en collaboration pour que cela se produise le plus rapidement possible, " il dit.
