Les véhicules électriques, propulsés par des moteurs électriques macroscopiques, sont de plus en plus répandus dans nos rues et nos autoroutes. Ces machines silencieuses et respectueuses de l’environnement ont vu le jour il y a près de 200 ans lorsque les physiciens ont fait les premiers pas pour mettre au monde des moteurs électriques.
Aujourd’hui, une équipe multidisciplinaire dirigée par la Northwestern University a créé un moteur électrique invisible à l’œil nu : un moteur électrique à l’échelle moléculaire.
Ces premiers travaux – un moteur capable de convertir l’énergie électrique en mouvement unidirectionnel au niveau moléculaire – ont des implications pour la science des matériaux et en particulier la médecine, où le moteur moléculaire électrique pourrait faire équipe avec des moteurs biomoléculaires dans le corps humain.
« Nous avons porté la nanotechnologie moléculaire à un autre niveau », a déclaré Sir Fraser Stoddart de Northwestern, qui a reçu le prix Nobel de chimie 2016 pour son travail dans la conception et la synthèse de machines moléculaires. « Cette chimie élégante utilise des électrons pour piloter efficacement un moteur moléculaire, un peu comme un moteur macroscopique. Alors que ce domaine de la chimie en est à ses balbutiements, je prédis qu’un jour ces minuscules moteurs feront une énorme différence en médecine. »
Stoddart, professeur de chimie au conseil d’administration du Weinberg College of Arts and Sciences, est co-auteur correspondant de l’étude. La recherche a été menée en étroite collaboration avec Dean Astumian, théoricien des machines moléculaires et professeur à l’Université du Maine, et William Goddard, chimiste informatique et professeur au California Institute of Technology. Long Zhang, stagiaire postdoctoral au laboratoire de Stoddart, est le premier auteur de l’article et un auteur co-correspondant.
Large de seulement 2 nanomètres, le moteur moléculaire est le premier à être produit en masse en abondance. Le moteur est facile à fabriquer, fonctionne rapidement et ne produit aucun déchet.
L’étude et une brève d’information correspondante ont été publiées aujourd’hui (11 janvier) par la revue La nature.
L’équipe de recherche s’est concentrée sur un certain type de molécule avec des anneaux imbriqués appelés caténanes, maintenus ensemble par de puissantes liaisons mécaniques, afin que les composants puissent se déplacer librement les uns par rapport aux autres sans se désagréger. (Il y a des décennies, Stoddart a joué un rôle clé dans la création de la liaison mécanique, un nouveau type de liaison chimique qui a conduit au développement des machines moléculaires.)
Le moteur électrique moléculaire est spécifiquement basé sur un [3]caténane dont les composants ― une boucle imbriquée avec deux anneaux identiques ― sont actifs redox, c’est-à-dire qu’ils subissent un mouvement unidirectionnel en réponse aux changements de potentiel de tension. Les chercheurs ont découvert que deux anneaux sont nécessaires pour réaliser ce mouvement unidirectionnel. Des expériences ont montré qu’un [2]catenane, qui a une boucle verrouillée avec un anneau, ne fonctionne pas comme un moteur.
La synthèse et le fonctionnement de molécules qui remplissent la fonction d’un moteur ― convertissant l’énergie externe en mouvement directionnel ― posent depuis un certain temps un défi aux scientifiques dans les domaines de la chimie, de la physique et de la nanotechnologie moléculaire.
Pour réaliser leur percée, Stoddart, Zhang et leur équipe Northwestern ont passé plus de quatre ans sur la conception et la synthèse de leur moteur moléculaire électrique. Cela comprenait une année de travail avec Astumian d’UMaine et Goddard de Caltech pour compléter les calculs de mécanique quantique afin d’expliquer le mécanisme de travail derrière le moteur.
« Le contrôle du mouvement relatif des composants à l’échelle moléculaire est un défi formidable, la collaboration était donc cruciale », a déclaré Zhang. « Travailler avec des experts en synthèse, mesures, chimie computationnelle et théorie nous a permis de développer un moteur moléculaire électrique qui fonctionne en solution. »
Quelques exemples de moteurs électriques à une seule molécule ont été rapportés, mais ils nécessitent des conditions de fonctionnement sévères, comme l’utilisation d’un ultravide, et produisent également des déchets.
Les prochaines étapes pour leur moteur moléculaire électrique, ont déclaré les chercheurs, consistent à attacher de nombreux moteurs à une surface d’électrode pour influencer la surface et finalement effectuer un travail utile.
« La réalisation que nous rapportons aujourd’hui témoigne de la créativité et de la productivité de nos jeunes scientifiques ainsi que de leur volonté de prendre des risques », a déclaré Stoddart. « Ce travail me donne, à moi et à l’équipe, une énorme satisfaction. »
Plus d’information:
Long Zhang et al, Un moteur moléculaire électrique, La nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-022-05421-6