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


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Un engrenage hélicoïdal de 2 nm à rotation unidirectionnelle

par Evelyne Prevots - publié le

Claire Kammerer, maître de conférences et Gwénaël Rapenne, professeur à l’université Toulouse III – Paul Sabatier, laboratoire CEMES-CNRS, et à l’Institut des Sciences et Technologies de Nara (NAIST) au Japon et Saw-Wai Hla, professeur à l’Université d’Ohio aux USA, ont conçu une hélice moléculaire destinée à être déposée sur une surface solide et étudiée par microscopie à effet tunnel (STM). La chiralité de cette machine moléculaire permet de contrôler son sens de rotation une fois mises en mouvement par un apport d’énergie électrique et cette rotation pourrait être transmise à une molécule voisine. Ces travaux ont été récemment publiés dans Nature Communications.

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(a) Structure chimique de la molécule engrenage déposée sur une surface d’or ; (b) Images STM de la rotation unidirectionnelle de chaque hélice
© G. Rapenne (UT3 Paul Sabatier, NAIST, CEMES-CNRS) and S.W. Hla (Ohio University).

Les machines moléculaires synthétiques conçues pour fonctionner sur des surfaces sont aujourd’hui capables de convertir de l’énergie en mouvement unidirectionnel mais aussi dans certaines conditions, de transférer ce mouvement à d’autres molécules. Dans cette étude, des complexes de ruthénium conçus pour mimer des engrenages déposés sur une surface d’or se présentent sous forme d’un mélange d’hélices gauches et droites en quantités égales. Sur la figure (a) la partie inférieure fortement encombrée (stator, en bleu) est accrochée sur la surface, elle devient hélicoïdale et elle transfère son hélicité à la partie supérieure (rotor, en vert) constituée de trois pales qui se vrillent pour satisfaire aux contraintes stériques de la partie stator. L’atome de ruthénium joue un rôle analogue à un roulement à bille. Ces hélices peuvent être mises en rotation de manière hautement unidirectionnelle grâce à l’apport d’énergie via la pointe du STM. Les molécules hélicoïdales gauches tournent préférentiellement dans le sens horaire tandis que les molécules hélicoïdales droites tournent préférentiellement dans le sens inverse, comme représenté sur la figure (b). Enfin, lorsqu’une molécule hélicoïdale droite est placée à une distance appropriée d’une molécule hélicoïdale gauche, le mouvement de rotation d’une molécule engrenage pourrait être transmis à la molécule voisine comme illustré dans la vidéo ci-dessous. Cette observation pourrait ouvrir la voie au transfert d’énergie ou d’information sur de longues distances.

 

Références

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, article n° 3742.
doi:10.1038/s41467-019-11737-1
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11737-1

 

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Gwénaël Rapenne