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


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Nanovéhicules

De la roue nanométrique aux nanovéhicules moléculaires

Objectif : avoir des molécules capable de se déplacer sur une surface en transportant d’autres molécules

Participants : Xavier Bouju (CR), Christian Joachim (DR), Claire Kammerer (MCF), Gwénaël Rapenne (Prof.)
Doctorants & Postdocs : G. Jimenez-Bueno (Post-doc), F. Ample (Post-doc), H.-P. Jacquot de Rouville (PhD 2010), R. Garbage (PhD 2013)

Nous développons une nouvelle famille de roues moléculaires afin de construire des véhicules de taille nanométrique.

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L’essieu terminé par deux roues est poussé par l’apex de la pointe (en gris) du microscope à effet tunnel sur une surface de cuivre (image L. Grill, Institut Fritz HaberBerlin).
© CEMES-CNRS

Dans l’histoire des inventions, la roue est à l’origine de développements scientifiques et technologiques considérables. L’utilisation du mouvement de rotation d’une roue autour d’un axe a conduit à la conception de machineries mécaniques à engrenages multiples puis plus tard aux moteurs lançant ainsi la révolution industrielle. L’échelle d’un nanomètre, la plus petite échelle pour créer une roue représente aux yeux des chimistes et des physiciens un véritable défi. Depuis quelques années, nous travaillons à la conception puis à la synthèse de molécule-machines munies de roues. Étape par étape, nous avons défriché ce domaine avec nos collègues du Fritz-Haber institut de Berlin (Dr Leonhard Grill). L’originalité de l’approche consiste à travailler sur une seule molécule à la fois choisie parmi un grand nombre déposée sur une surface métallique. La microcopie à effet tunnel (STM) cartographie ses molécules puis la pointe du STM permet de les manipuler une par une afin d’étudier les propriétés mécaniques d’une seule de ces molécule-machines à la fois.

Après la synthèse et l’observation en 2005 d’une molécule-brouette (c’est à dire une molécule constitué d’un plateau rigide, de deux pieds et de deux roues, (voir figure), nous avons montré en 2007 qu’une des 2 roues moléculaires montées sur un essieu pouvait tourner lors de son déplacement induit par la pointe du STM. Il a été possible de contrôler son sens de rotation ce qui ouvre la voie à la synthèse de nano-véhicules fonctionnels. L’expérience consistait à déposer délicatement ses molécules sur une surface de cuivre très propre et de les repérer par imagerie STM. Ensuite, la pointe du STM se comporte comme un doigt et déclenche le mouvement de rotation de la roue interagissant avec l’apex atomique de la pointe. Auparavant, cet apex avait été placé intentionnellement à la verticale d’une roue mais un peu en retrait pour déclencher le mouvement de rotation.

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Brouette macroscopique et son homologue moléculaire (3 sur 2 nm)
© CEMES-CNRS

Ces roues ont néanmoins un défaut intrinsèque de par leur structure à trois pâles. Aujourd’hui, nous travaillons sur une nouvelle famille de roues de forme incurvée ce qui permettra à la fois de minimiser les interactions mécaniques avec la surface tout en augmentant la rigidité nécessaire à la rotation de la roue autour de son axe lors d’une poussée arrière par l’apex de la pointe. Ces résultats ouvrent la voie à la création de molécule-machines mécaniques avec pour objectif à long terme de pouvoir embarquer dans une seule molécule toute la machinerie d’une nano-voiture : ses quatre roues, son châssis et son moteur, ceci pour transporter de la matière dans le nanomonde.

Récemment, nous avons synthétisé un nanovéhicule de type hydrocarbure polyaromatique, élaboré par analogie avec des véhicules macroscopiques. La synthèse de deux nouveaux chassis a été effectuée, tous deux incluant une zone de chargement.

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Un nanovéhicule moléculaire superposé à une voiture du monde macroscopique.
© G. Rapenne CEMES, CNRS/UPS

Nous travaillons maintenant à imager et manipuler ces nanovéhicules avec une pointe STM. Une attention particulière sera accordée à l’utilisation de la zone de chargement, avec par exemple le dépot consécutif de molécules de C60 qui devrait avoir une bonne affinité avec ce type de structure aromatique.

 

Sélection de références

  • [1] Synthesis of technomimetic molecules : Towards rotation control in single molecular machines and motors G. Rapenne, Org. Biomol. Chem.2005, 3, 1165-1169. Download
  • [2] Rolling single “nano-wheels” with the STM tip L. Grill, X. Bouju, G. Rapenne, S. Stojkovic, C. Joachim, K.-H. Rieder, F. Moresco, Nature Nanotech.2007, 2, 95-98. Download
  • [3] Molecular Machines : Synthesis and characterization of two prototypes of molecular wheelbarrows G. Rapenne, G. Jimenez-Bueno, Tetrahedron2007, 63, 7018-7026. Download
  • [4] Synthesis of polycyclic aromatic hydrocarbon-based nanovehicles equiped with triptycene wheels. H.P. Jacquot de Rouville, R. Garbage, R.E. Cook, A.R. Pujol, A.M. Sirven, G. Rapenne, Chem. Eur. J.2012, 18,3023-3031. Download
  • [5] Synthesis and STM-imaging of symmetric and dissymmetric ethynyl-bridged dimers of boron-subphthalocyanine bowl-shaped nano-wheels. H.P. Jacquot de Rouville, R. Garbage, F. Ample, A. Nickel, J. Meyer, F. Moresco, C. Joachim, G. Rapenne, Chem. Eur. J.2012, 18, 8925-8928. Download
  • [6] Molecule concept-nanocars : chassis, wheels and motors ?
    C. Joachim, G. Rapenne, ACS Nano, 2013, 7, 11-14. DownloadRetour ligne manuel

 

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