Tout enroulé : un tourbillon moléculaire réversible

Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont construit de minuscules machines moléculaires qui font tourner ou font la navette avec d’autres molécules. Cependant, il est difficile de déterminer le travail mécanique et les forces produites par ces minuscules engins, ce qui est important lorsqu’ils sont utilisés comme nanorobots ou dans des muscles artificiels. Maintenant, dans le Journal de l’American Chemical Societyles chercheurs rapportent des moteurs moléculaires qui se tordent et se détendent comme des jouets tourbillonnants, permettant de mesurer l’énergie et le couple de leurs rotations.

La nature fabrique déjà une variété de machines moléculaires, que ce soit dans les flagelles ressemblant à des poils qui propulsent les bactéries ou dans l’enzyme rotative qui produit l’adénosine triphosphate (ATP), un composé qui stocke l’énergie. Les chercheurs ont créé leurs propres versions dans le but de les utiliser comme transporteurs ou pompes, ou pour fabriquer des matériaux capables de stocker et de libérer de l’énergie mécanique. Bien que de nombreuses conceptions existent maintenant, il reste difficile de les concevoir pour des rotations répétitives et de mesurer la quantité de travail ou de force appliquée sur une distance qu’elles peuvent exercer. Ainsi, Nicolas Giuseppone et ses collègues ont entrepris de construire des machines moléculaires à mouvement cyclique réversible qui leur permettraient de faire exactement cela.

Les chercheurs ont construit une machine moléculaire en forme de huit avec un moteur rotatif en son centre et une chaîne polymère dans chacune de ses deux boucles. La lumière ultraviolette activait la rotation à l’intersection du chiffre huit et faisait tourner les boucles l’une autour de l’autre une, deux ou trois fois. Lorsque la lumière était éteinte, les machines avec des boucles plus petites se déroulaient progressivement pour soulager la tension, tout comme le déroulement d’un jouet tourbillon. Les chercheurs ont ensuite mené des expériences de torsion-détorsion à différentes températures pour calculer le travail, la force et le couple. Le tourbillon exerçait un couple similaire à l’enzyme bien connue qui produit l’ATP, offrant ainsi un aperçu prometteur de l’énergie mécanique qui pourrait être stockée et libérée par ces minuscules machines.