En 2016, Ben Feringa, professeur de chimie organique à l’université de Groningue, et deux de ses collègues ont reçu le prix Nobel de chimie pour avoir créé « les plus petites machines du monde ». Feringa avait construit un moteur alimenté par la lumière composé d’une seule molécule. L’article scientifique décrivant ce moteur moléculaire a été publié il y a 25 ans, le 9 septembre 1999dans Nature.
La première molécule motrice a en fait été conçue comme un interrupteur moléculaire actionné par la lumière. Feringa a cherché des moyens de fabriquer des interrupteurs à partir de molécules individuelles dans le but de fabriquer des appareils électroniques toujours plus petits. Ces interrupteurs devraient former des « bits moléculaires », qui pourraient stocker des informations sous forme de zéros et de uns en les allumant et en les éteignant.
À l’époque, Feringa ne cherchait pas de moteur moléculaire, même s’il avait déjà émis l’hypothèse qu’une machine aussi minuscule pouvait exister. Et comme la chance sourit aux esprits préparés, il a reconnu les résultats étranges présentés par son postdoctorant Nagatoshi Koumura.
Koumura avait fait des recherches sur un tel « interrupteur », mais il a trouvé des signes d’une molécule qui ne basculait pas entre deux positions, mais dans laquelle une partie effectuait un tour complet de 360 degrés, pivotant sur un axe moléculaire.
La molécule motrice est constituée d’une partie supérieure et d’une partie inférieure reliées par deux atomes de carbone qui forment l’axe de rotation, et est alimentée par la lumière ultraviolette et la chaleur.
Lorsque la lumière UV brille sur la molécule, elle pivote de 180 degrés. Cette rotation est réversible, mais en appliquant également de la chaleur, la forme de la molécule change au cours du processus. Ce changement de forme empêche l’inversion, de sorte que la rotation se déroule dans une seule direction. Deux de ces étapes de lumière/chaleur produisent une rotation complète de 360 degrés.
Une fois que l’équipe de Feringa a compris comment fonctionne la molécule motrice, elle a commencé à l’améliorer. La vitesse de rotation a été augmentée et toutes sortes de modifications ont été apportées pour la rendre plus efficace. Un moteur n’est bien sûr utile que s’il peut effectuer un travail.
Les premiers moteurs étaient conçus pour flotter librement dans un solvant, ce qui signifiait qu’ils ne pouvaient pas faire grand-chose d’autre que d’agiter le solvant. Par conséquent, les molécules du moteur étaient fixées à une surface, ce qui leur permettait d’exercer une force sur leur environnement.
En 2006, le groupe de recherche de Ben Feringa a publié un article décrivant comment les molécules motrices entraînées par la lumière dans un film cristallin liquide pourrait faire tourner une tige de verre 10 000 fois plus gros que ces moteurs. De plus, les fibres créées à partir des molécules motrices entraînées par la lumière agissent comme des muscles ; elles se contractent lorsqu’un côté est éclairé. Et récemment, les moteurs entraînés par la lumière de Feringa ont été utilisés dans un « papillon » imprimé en 3D« En éclairant les ailes du papillon avec une lumière UV, on modifie leur forme et on obtient un mouvement de battement, même s’il faut souligner qu’il ne vole pas.
Une petite voiture
Dans le cadre d’un projet spécial, quatre molécules motrices ont été reliées à un châssis afin de créer une nanovoiture à quatre roues motrices. Il a été achevé et décrit dans la revue Nature en 2011. La nanovoiture utilisait une version modifiée du moteur moléculaire, qui était alimenté par l’électricité générée par la surface sur laquelle elle voyageait.
Ce projet a été réalisé par une équipe comprenant Syuzanna Harutyunyan, Tibor Kudernac et Nathalie Katsonis, qui sont désormais tous professeurs titulaires à l’Institut de chimie Stratingh de l’Université de Groningue.
Dans la dernière version du moteur moléculaire, l’efficacité a été encore augmentée, ce qui facilite le contrôle de ses mouvements. Lorsqu’un lot d’anciennes versions du moteur moléculaire a été irradié, elles ont formé un mélange de moteurs à différentes étapes du cycle de rotation. Avec le moteur le plus efficace, il est possible de synchroniser tous les moteurs et de les contrôler à chaque étape du cycle de rotation.
Ce nouveau moteur a été utilisé pour changer la couleur d’un cristal liquide à l’aide de la lumière.
Médicaments à lumière contrôlée
Entre-temps, les interrupteurs qui ont déclenché tout cela ont fini par faire leur retour, non pas dans les puces informatiques, mais dans les médicaments. Des interrupteurs commandés par la lumière peuvent être utilisés pour activer les médicaments précisément là où ils sont nécessaires. Le médicament s’éteint automatiquement au bout de quelques heures.
Cela pourrait réduire le nombre d’effets secondaires dans l’organisme. Cela signifie également que le médicament, par exemple un antimicrobien, sera désactivé lorsqu’il quittera l’organisme et entrera dans les égouts, empêchant ainsi le développement d’une résistance aux antimicrobiens dans l’environnement.
Dans son discours de réception du prix Nobel de 2016, Feringa a comparé ses moteurs moléculaires au premier avion construit par les frères Wright. Bien que très éloigné des avions à réaction modernes, il marquait le début d’une toute nouvelle ère.
En 25 ans, les moteurs moléculaires sont passés de simples molécules à des outils utilisables en science des matériaux et en médecine. Les 25 prochaines années montreront probablement s’ils peuvent révolutionner notre monde de la même manière que l’industrie aéronautique.
Pas seulement un passionné de moteur
La construction de molécules a toujours été une passion pour Feringa, et il a utilisé ses compétences pour travailler sur divers sujets. Il a apporté plusieurs contributions importantes au domaine de la catalyse, le développement de composés qui accélèrent une réaction chimique sans être consommés au cours du processus, des outils importants pour l’industrie chimique.
Il a également étudié la chiralité, la « chiralité » des molécules qui ont la même composition mais qui sont l’image miroir l’une de l’autre, tout comme nos mains gauche et droite. En chimie, les différentes « mains » peuvent avoir des propriétés très différentes, mais la chiralité est également une caractéristique de la vie. L’étude de ce phénomène pourrait nous en apprendre davantage sur Comment la vie sur Terre est apparue.