Les moteurs moléculaires alimentés par la lumière ont été développés pour la première fois il y a près de 25 ans à l’Université de Groningen, aux Pays-Bas. Cela a abouti à un prix Nobel de chimie partagé pour le professeur Ben Feringa en 2016. Cependant, faire fonctionner ces moteurs réellement s’est avéré être un défi. Un nouvel article du laboratoire Feringa, publié dans Chimie naturelle le 26 avril, décrit une combinaison d’améliorations qui rapproche les applications réelles.
Le premier auteur Jinyu Sheng, aujourd’hui chercheur postdoctoral à l’Institut des sciences et technologies d’Autriche (ISTA), a adapté un moteur moléculaire piloté par la lumière de « première génération » au cours de son doctorat. études au laboratoire Feringa. Son objectif principal était d’augmenter l’efficacité de la molécule motrice. « C’est très rapide, mais seulement 2% des photons absorbés par la molécule entraînent le mouvement de rotation. »
Cette faible efficacité peut nuire aux applications réelles. « En outre, une efficacité accrue nous donnerait un meilleur contrôle du mouvement », ajoute Sheng. Le mouvement de rotation du moteur moléculaire de Feringa se déroule en quatre étapes : deux d’entre elles sont photochimiques et deux sont régies par la température. Ces dernières sont unidirectionnelles, mais les étapes photochimiques provoquent une isomérisation de la molécule qui est généralement réversible.
Sheng a entrepris d’améliorer le pourcentage de photons absorbés qui entraînent le mouvement de rotation. « Il est très difficile de prédire comment cela peut être réalisé et, en fin de compte, nous avons découvert par hasard une méthode qui a fonctionné. » Sheng a ajouté un groupe fonctionnel aldéhyde à la molécule motrice, comme première étape d’une transformation ultérieure.
« Cependant, j’ai décidé de tester la fonction motrice de cette version intermédiaire et j’ai trouvé qu’elle était très efficace d’une manière que nous n’avions jamais vue auparavant. »
Pour cela, il a coopéré avec le groupe de photonique moléculaire de l’Institut Van ‘t Hoff des sciences moléculaires de l’Université d’Amsterdam. Grâce à la spectroscopie laser avancée et aux calculs de chimie quantique, les voies de désintégration électronique ont été cartographiées, fournissant ainsi un aperçu détaillé du fonctionnement du moteur moléculaire.
De plus, il est devenu clair que l’adaptation donnait effectivement à Sheng un meilleur contrôle du mouvement de rotation de la molécule. Comme mentionné précédemment, le moteur moléculaire tourne en quatre étapes discrètes. Sheng explique : « Auparavant, si nous irradiions un lot de moteurs avec de la lumière, nous obtenions un mélange de moteurs à différentes étapes du cycle de rotation. Après la modification, il était possible de synchroniser tous les moteurs et de les contrôler à chaque étape. »
Cela ouvre toutes sortes de possibilités. Par exemple, les moteurs pourraient être utilisés comme dopant chiral dans les cristaux liquides, où les différentes positions créeraient différentes couleurs de réflexion. Dans le document, Sheng et ses collègues en présentent un exemple. D’autres applications pourraient par exemple être le contrôle de l’auto-assemblage moléculaire.
L’ajout d’un groupe aldéhyde à la molécule motrice a également un autre effet intéressant : il déplace l’absorption de la lumière vers une longueur d’onde plus longue. Étant donné que les longueurs d’onde plus longues pénètrent plus profondément dans les tissus vivants ou les matériaux en vrac, cela signifie que les moteurs pourraient fonctionner beaucoup plus efficacement dans les applications médicales et dans la science des matériaux, car davantage de lumière atteindrait la molécule motrice, ce qui utiliserait également les photons plus efficacement.
« Un certain nombre de nos collègues travaillent actuellement avec nous sur ce nouveau moteur moléculaire pour différentes applications », explique Sheng. Il s’attend à ce que d’autres articles sur ce sujet soient publiés prochainement. Parallèlement, le laboratoire de Feringa doit relever un autre défi : « Le moteur moléculaire est désormais plus efficace, mais nous ne savons pas exactement pourquoi la modification provoque cet effet. Nous y travaillons actuellement. »
Plus d’information:
Jinyu Sheng et al., La formylation améliore les performances des moteurs moléculaires rotatifs surpeuplés dérivés d’alcènes alimentés par la lumière, Chimie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41557-024-01521-0