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


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Moteurs moléculaires

Objectif : convertir un flux d’électrons en un mouvement rotatif unidirectionnel

Participants : Christian Joachim (DR CNRS), Claire Kammerer (MCF), Jean-Pierre Launay (Prof. émérite), Gwénaël Rapenne (Prof.)
Doctorants & Postdocs : F. Ample (Post-doc), J. Echeverria (Post-Doc) A. Carella (PhD 2004), G. Vives (PhD 2007), H.-P. Jacquot de Rouville (PhD 2010), R. Stefak (PhD 2013), A. Sirven (PhD 2015)

Réussir à maîtriser le mouvement de rotation de moteurs moléculaires à l’échelle du nanomètre et de la molécule unique conduira à la conception de dispositifs électroniques et mécaniques de plus en plus petits et économes en énergie.

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Un moteur moléculaire schématisé entre deux nanoélectrodes
© CEMES-CNRS

Dans le domaine des nanosciences en général et de la nanomécanique moléculaire en particulier, un des défis est la conception et la construction d’un moteur moléculaire de taille nanométrique. Il s’agit d’une machine qui transforme de manière continue une énergie en produisant un travail via un mouvement de rotation unidirectionnel contrôlé. Ce mouvement doit être réversible et d’une amplitude suffisamment grande pour qu’il soit mesurable et exploitable.

Les moteurs que l’on a synthétisés (voir figure ci-dessous) ont été pensés pour être adressés individuellement. Le principe de fonctionnement implique de pouvoir adresser la molécule par deux nanoélectrodes servant de réservoirs d’électrons comme représenté sur la figure ci-contre. La molécule comporte une partie fixe (stator, ligand trisindazolylborate) greffée à la surface et une partie mobile (rotor) portant des sites oxydables (ferrocènes). En présence d’une polarisation, l’électrode positive injecte à la partie mobile de la molécule des charges de même signe dont la répulsion avec l’électrode provoque un mouvement de rotation. Il s’agit ainsi d’un moteur électrostatique, fonctionnant sur un principe décrit par Benjamin Franklin en 1748 ! Le moteur tourne en consommant l’énergie provenant du transport des électrons d’une zone de bas potentiel électrique à une zone de haut potentiel. La dissymétrie du système permettra de controler le sens de rotation.

Ces moteurs ont une structure générale en tabouret de piano. Ils sont composés d’une partie fixe (bleue) fonctionnalisée de manière à se lier de manière covalente sur une surface. La seconde est une plateforme (rouge) terminée par cinq groupements électroactifs. Ces groupements seront le siège de transferts d’électrons successifs qui induiront la rotation la partie mobile de la molécule et ceci en privilégiant un sens donné. Entre ces deux parties, un atome de ruthénium joue le rôle de rotule conférant à cette molécule un caractère organométallique.

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Moteurs moléculaires synthétisés au laboratoire. Les fragments platine et bicyclo[2,2,2]octane sont des groupements isolants permettant de minimiser les transferts d’électron intramoléculaires.
© CEMES-CNRS

Nous avons synthétisé plusieurs molécules de taille et de constitution différente qui illustrent les différentes contraintes à respecter. Tout d’abord le système doit être le plus rigide possible, c’est à dire ne pas présenter de degrés de rotation inutiles, qui entraîneraient une trop grande variété de conformations. Ensuite, il faut que la rotation soit aisée autour de l’axe vertical, mais sans qu’il y ait de tendance à la dissociation entre la partie fixe et la partie mobile. Enfin il faut que l’ensemble des potentiels rédox soient compatible avec le processus souhaité.

En collaborations avec le Prof. Saw-Wai Hla (Université d’Ohio), nous avons étudié cette rotation électro-induite. En plaçant la molécule à une température de 5K sur la surface d’or, nous sommes parvenus à déclencher le mouvement pas à pas du rotor et à en contrôler le sens de rotation [6]. Pour cela, nous utilisons les électrons issus de la pointe d’un microscope à effet tunnel qui sert à la fois d’instrument d’observation et de source d’énergie. Comme le montre la figure ci-dessous, le sens de rotation dépend de la pale du rotor où est positionnée l’extrémité de la pointe du microscope.

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La « molécule-moteur » est ancrée sur une surface via trois points d’accroche. Le plateau supérieur tourne dans un sens ou dans l’autre autour de son axe, selon la position de la pointe du microscope.
© G. Rapenne et G. Vives, CEMES, CNRS/UPS

A plus long terme ces moteurs pourraient intégrer des robots nanométriques capables de remplir une grande variété de fonctions allant de la médecine à la vie de tous les jours ou bien motoriser les nanovéhicules que nous développons par ailleurs.

Sélection de références

  • [1] Design and synthesis of the active part of a potential molecular rotary motor A. Carella, G. Rapenne, J.P. Launay, New J. Chem. 2005, 29, 288-290. Download
  • [2] Synthesis of molecular motors incorporating bicyclo [2-2-2] insulating fragments G. Vives, A. Gonzalez, J. Jaud, J.-P. Launay, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2007, 13, 5622-5631. Download
  • [3] Directed synthesis of symmetric and dissymetric molecular motors built around a ruthenium cyclopentadienyl tris(indazolyl)borate complex G. Vives, G. Rapenne, Tetrahedron 2008, 64, 11462-11468. Download
  • [4] Synthesis and reactivity of penta(4-halogenophenyl) cyclopentadienyl hydrotris (indazolyl)borate ruthenium(II) complexes : Rotation-induced Fosbury flop in an organometallic molecular turnstile A. Carella, J.P. Launay, R. Poteau, G. Rapenne, Chem. Eur. J. 2008, 14, 8147-8156.
  • [5] Prototypes of molecular motors based on star-shaped organometallic ruthenium complexes G. Vives, H.P. Jacquot de Rouville, A. Carella, J.P. Launay, G. Rapenne, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 1551-1561. Download
  • [6] Controlled clockwise and anticlockwise rotational switching of a molecular motor U.G.E. Perera, F. Ample, H. Kersell, Y. Zhang, J. Echeverria, M. Grisolia, G. Vives, G. Rapenne, C. Joachim, S.W. Hla, Nature Nanotech. 2013, 8, 46-51. Download

 

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CNRS, EU, ANR, IUF, Université de Toulouse.