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 : Claire Kammerer (MCF), Gwénaël Rapenne (Prof.), Christian Joachim (DR CNRS), Jean-Pierre Launay (Prof. émérite)
Doctorants & Postdocs : J. Echeverria (Post-Doc), A. Sirven (PhD 2012-15), J.P.D.C. Calupitan (PhD 2015-18), Y. Gisbert (PhD 2018-21), R. Asato (PhD 2018-21)

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.Les moteurs que l’on a synthétisés ont été pensés pour être adressés individuellement.

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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

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. 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

Quelques années plus tard, nous avons développé une nouvelle famille de moteurs moléculaires qui ont vocation à travailler de manière synchronisée à des températures plus élevées. Un comportement ferroélectrique a été mis en évidence dans une monocouche auto-assemblée sur surface d’or avec une rotation synchronisée sous l’influence du champs électrique induit par la pointe STM. Cette rotation se produit sur de longues distances, uniquement limitée par les extrémités des domaines de la surface.

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Sélection de références

[1] 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

[2] Scorpionate hydrotris(indazolyl)borate ligands as tripodal platform for surface-mounted molecular motors and gears
C. Kammerer, G. Rapenne, Eur. J. Inorg. Chem. 2016, 2214-2216. Download 

[3] Controlled directional motions of molecular vehicles, rotors and motors : from metallic to silicon surfaces, a strategy to operate at higher temperature
F. Chérioux, F. Palmino, O. Galangau, G. Rapenne, Chem. Phys. Chem. 2016, 1742-1751. Download

[4]  Simultaneous and coordinated rotational switching of all molecular rotors in a network
Y. Zhang, H. Kersell, R. Stefak, J. Echeverria, V. Iancu, G. Perera, Y. Li, A. Deshpande, K.-F. Braun, C. Joachim, G. Rapenne, S.-W. Hla, Nature Nanotech. 2016, 11, 706-713. Download

[5] De la miniaturisation des machines à la construction de moteurs moléculaires
A.M. Sirven, C. Kammerer, G. Rapenne, Act. Chim. 2017, 418, 17-24. Download

[6] Expedient synthesis of thioether-functionalized hydrotris(indazolyl) borate as an anchoring platform for rotary molecular machines
G. Erbland, Y. Gisbert, G. Rapenne, C. Kammerer, Eur. J. Org. Chem 2018, 4731-4739. Download

[7] Biomimetic and technomimetic single molecular machines
C. Kammerer, G. Erbland, Y. Gisbert, T. Nishino, K. Yasuhara, G. Rapenne, Chem. Lett. 2019, 48, 299-308. Download Couverture

[8] A chiral molecular propeller designed for unidirectional rotations on a surface
Y. Zhang, J.P. Calupitan, T. Rojas, R. Tumbleson, G. Erbland, C. Kammerer, T.M. Ajayi, S. Wang, L.C. Curtiss, A.T. Ngo, S.E. Ulloa, G. Rapenne, S.W. Hla, Nature Commun. 2019, 10, 3742. Download

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