Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Engrenages

Objectif : contrôler le sens de rotation d’une molécule dans un engrenage moléculaire

Participants : A. Gourdon, C. Joachim
Doctorants & Postdocs : S. M. Stojkovic (Post-doc) ; collaboration FU Berlin : F. Chiaravalloti, L. Gross, K.-H. Rieder, F. Moresco

La conception et la synthèse de molécules capables d’effectuer des actions mécaniques précises est une des clés du développement futur de nano-machineries moléculaires complexes. Pour cela, il est d’abord indispensable de démontrer comment un mécanisme aussi simple qu’un pignon se déplaçant le long d’une crémaillère est réalisable à l’échelle moléculaire. Tout comme les crémaillères permettent aux trains de monter ou descendre de fortes pentes, nous avons réussi à déplacer mécaniquement une molécule-pignon d’un nanomètre de diamètre le long d’une crémaillère moléculaire.

Une molécule-pignon en forme d’étoile à 6 branches a d’abord été conçue puis synthétisée au laboratoire. Afin de pouvoir visualiser sa rotation lors d’expériences de mécanique, une des branches est chimiquement différente des cinq autres. Ainsi, quand cette molécule est observée par microscopie à effet tunnel, cette branche différente est cartographiée avec un large contraste. On peut ainsi déterminer l’orientation de la molécule sur chaque image STM. Ces molécules sont capables de s’auto-assembler sur une surface métallique ultra propre. Elles forment spontanément des îlots cristallins plats composés d’une monocouche parfaitement organisée de molécules, de véritables nano-cristaux de pignons. C’est la bordure d’un de ces îlots qui va servir de crémaillère, puisqu’elle conserve la dentelure de la molécule qui la compose.

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A- Image STM d’une monocouche de molécule-pignon, une des molécules a été déplacée à l’aide de la pointe du microscope de façon à l’enclencher sur le bord de la monocouche, qui fait office de crémaillère
B- Concept de crémaillère moléculaire (en bleu) et sa molécule-pignon (en rouge ; en noir, la branche chimiquement différente)
© CEMES-CNRS

L’expérience de mécanique moléculaire est réalisée de la manière suivante.

  1. Une molécule-pignon isolée est manipulée par la pointe STM en direction de la crémaillère pour qu’au moins une de ses branches s’enclenche dans les dents moléculaires de la crémaillère.
  2. La pointe du STM est alors placée à la verticale et dans l’axe d’une molécule-pignon.
  3. La pointe est approchée de la molécule pour devenir son axe de rotation.
  4. La pointe est alors déplacée par l’expérimentateur pas à pas parallèlement à la crémaillère (mouvement 1). La molécule-pignon se met à tourner autour de son axe (mouvement 2) au rythme des dents de la crémaillère rencontrées lors de son déplacement.

Cette rotation peut être observée en réalisant une image STM du pignon à chaque rotation d’un sixième de tour. Nous avons ainsi démontré que le concept d’engrenage s’applique à l’échelle d’une molécule. Les mouvements mécaniques de la molécule-pignon autour de son axe sont en apparence classiques, c’est à dire semblables à ceux d’une roue dentée se déplaçant le long d’une crémaillère centimétrique. Le sens de rotation du pignon est contrôlable par la direction du déplacement de la pointe le long de la crémaillère. Plus récemment, nous avons remplacé la pointe du STM par un axe, lui-même défini à l’échelle atomique [3] afin de construire un train de molécules-engrenages et poursuivre le montage de machineries moléculaires complexes.

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Images STM de l’expérience de mécanique. La présence d’une branche chimiquement différente permet de suivre la rotation de la roue dentée lors de son déplacement le long du bord de marche. La flèche indique la direction de la branche chimiquement différente
© CEMES-CNRS

 

Références

  • [1] "A rack and pinion device at the molecular scale" Franco Chiaravalloti, Leo Gross, Karl-Heinz Rieder, Sladjana M. Stojkovic, André Gourdon, Christian Joachim, and Francesca Moresco Nature Materials (2007) 6, 30–33.
  • [2] "Conformational dependence of tag induced intramolecular STM contrast in hexaphenylbenzene molecules" Abir De Sarkar, Carlos Manzano, We-Hyo Soe, Natarajan Chandrasekhar, A. Gourdon and Christian Joachim Surface Science Letters (2009) 603, L57-L61.
  • [3] "Step by step rotation of a molecule-gear mounted on an atomic scale axis " C. Manzano, W. -H. Soe, H. S. J. Wong, F. Ample, A. Gourdon, N. Chandrasekhar and C. Joachim Nature Materials (2009) 8(7) 576-579.

 

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