À première vue, les moteurs moléculaires de Rabih O. Al-Kaysi ressemblent aux vers microscopiques que l’on verrait dans une goutte d’eau d’un étang. Mais ces rubans frétillants ne sont pas vivants ; ce sont des appareils fabriqués à partir de molécules cristallisées qui effectuent des mouvements coordonnés lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Avec un développement continu, disent Al-Kaysi et ses collègues, leurs minuscules machines pourraient être utilisées par les médecins comme robots d’administration de médicaments ou intégrées dans des réseaux qui dirigeraient le flux d’eau autour des sous-marins.
Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd’hui au réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS).
L’équipe a construit son premier moteur à cristaux moléculaires en 2021 avec des molécules qui ont permis la photoisomérisation. En termes simples, les molécules individuelles du moteur ondulent l’un de leurs groupes chimiques d’avant en arrière lorsqu’elles sont exposées à la lumière, et leur mouvement collectif entraîne un mouvement visible du moteur. lui-même.
« Notre premier moteur était un microfil qui se courbait et flottait lorsque je l’exposais à une combinaison de lumière UV et visible », explique Al-Kaysi. « Cela ressemblait à une danseuse de ruban. Elle avait l’air vivante. »
Les molécules du premier moteur de l’équipe avaient besoin de plusieurs longueurs d’onde de lumière (UV et visible) pour piloter la photoisomérisation. Cependant, Al-Kaysi et son collègue Christopher Bardeen voulaient créer des moteurs à cristaux moléculaires qui n’auraient besoin que d’une seule longueur d’onde de lumière pour fonctionner. Ainsi, ils ont synthétisé une bibliothèque de molécules d’anthracène absorbant la lumière, capables d’un mouvement de va-et-vient ininterrompu – c’est-à-dire une photoisomérisation continue – avec une seule source de lumière.
Crédit : Société américaine de chimie
Les chercheurs sont en train de caractériser les molécules à base d’anthracène et de les utiliser comme éléments de base pour créer davantage de moteurs cristallins moléculaires. Leur ménagerie activée par la lumière comprend désormais de longues cordes ressemblant à des serpents et une araignée très poilue qui peut se plier, sauter, se tordre et danser.
Al-Kaysi, chimiste organique à l’Université des sciences de la santé King Saud bin Abdulaziz et au Centre de recherche médicale internationale King Abdullah, travaille avec Bardeen, professeur de chimie à l’Université de Californie à Riverside, depuis plus de deux décennies sur les cristaux photomécaniques.
Ces cristaux « intelligents » convertissent l’énergie qu’ils absorbent de la lumière en travail mécanique et sont généralement caractérisés comme thermiquement réversibles ou photochimiquement réversibles. En d’autres termes, le mouvement initial des cristaux en réponse à un stimulus lumineux est inversé avec un deuxième stimulus de chaleur ou de lumière, respectivement. Cependant, un troisième sous-ensemble de ces cristaux intelligents retient davantage l’attention de chimistes comme Al-Kaysi et Bardeen en raison de leur capacité à maintenir un mouvement oscillant continu lorsqu’ils sont exposés à une seule source de lumière.
Les molécules photoréactives de la bibliothèque d’Al-Kaysi constituent le point de départ de la fabrication de moteurs à cristaux moléculaires. Chacune des molécules contient trois segments : un segment anthracène, une double liaison carbone et un « groupe de tête » personnalisable de l’autre côté de la liaison carbone. L’anthracène absorbe la lumière et transmet l’énergie à la double liaison carbonée, qui agit comme l’axe de la molécule. Ensuite, le groupe de tête détermine la structure, la forme et le comportement de l’emballage cristallin de la molécule.
Une fois les molécules d’anthracène synthétisées, elles sont injectées dans une solution savonneuse où elles se regroupent selon un processus appelé ingénierie cristalline. Ces amas cristallisés sont utilisés comme « graines » et sont placés dans une autre solution savonneuse contenant davantage de molécules d’anthracène où ils s’auto-assemblent en formes plus grandes, généralement des tiges et des fils.
Certaines de ces structures s’auto-assemblent pour former des formes encore plus complexes, visibles à l’œil nu. Bien que l’auto-assemblage du moteur soit en grande partie aléatoire, les chercheurs recherchent des moyens de le diriger en faisant varier la température et le caractère savonneux du liquide et en remuant le liquide à différentes vitesses.
Lorsqu’ils sont éclairés dans leur solution savonneuse, les moteurs affichent un mouvement 3D complexe et continu. Les chercheurs peuvent régler le mouvement d’un moteur en ajustant l’intensité et la longueur d’onde de la lumière. Au niveau moléculaire, le mouvement est piloté par la photoisomérisation autour de la double liaison carbone, savent les chercheurs. Cependant, ils étudient toujours comment les molécules coordonnent ce comportement sur l’ensemble du moteur cristallin moléculaire.
Lors de démonstrations, les chercheurs ont constaté que les moteurs sont remarquablement durables, ne montrant aucun signe de fatigue après des heures d’exposition à la lumière. Et comme ils sont à base de cristaux, ils possèdent une résistance innée à la corrosion et aux interférences électromagnétiques et offrent un rapport poids/puissance « exceptionnel ». Selon les chercheurs, ces qualités rendent les moteurs à cristaux moléculaires particulièrement adaptés aux applications biomédicales, aux micromachines et aux microsatellites.
Al-Kaysi et Bardeen affirment qu’avec l’aide d’un « contact d’ingénieur », leurs découvertes scientifiques fondamentales ont le potentiel de résoudre des problèmes du monde réel, comme les machines moléculaires activées par la lumière pour l’administration de médicaments et les réseaux qui dirigent le flux d’eau autour d’un coque du navire.