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


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Une étape de plus vers des dispositifs moléculaires de type engrenages

Synthèse de roues dentées de 5 nm de large marquées chimiquement pour des dispositifs de type engrenage.

par Guy Molénat - publié le

Des chercheurs du CEMES-CNRS, de l’Université Paul Sabatier et du Nara Institute of Science and Technology (Japon) ont conçu et synthétisé des roues dentées à l’échelle nanométrique qui permettront de suivre la rotation de ces pignons par microscopie à effet tunnel. De telles avancées sont essentielles pour visualiser et confirmer le fonctionnement des trains d’engrenages intermoléculaires au travail.

Les systèmes d’engrenages sont des unités mécaniques élémentaires essentielles permettant la transmission d’informations sur de longues distances et la conversion de la puissance motrice d’un moteur via un mouvement disrotatoire synchronisé des roues dentées. Ils permettent aussi de traduire les changements de vitesse de rotation des engrenages en changements de force de rotation.

Des chercheurs du CEMES-CNRS en partenariat avec des équipes de recherche de l’Université Paul Sabatier et du Nara Institute of Science and Technology (NAIST, Japon), rapportent dans une nouvelle étude publiée dans Chemical Science une stratégie pour visualiser instantanément la rotation dans un train d’engrenages moléculaires au travail.

Maîtriser la rotation d’engrenages intermoléculaires est crucial pour l’émergence de machines fonctionnelles complexes à l’échelle nanométrique. Cependant, obtenir un mouvement corrélé dans des trains d’engrenages moléculaires reste très difficile. Le moyen le plus approprié pour suivre le mouvement au sein d’engrenages moléculaires déposés sur une surface consiste à utiliser des images successives de microscopie à effet tunnel.

Dans ce but, l’une des dents des roues dentées a été étiquetée par modification chimique. Les dents sont des dérivés de porphyrines, un fragment déjà utilisé dans la nature pour de nombreux processus comme le transport de l’oxygène (hémoglobine) ou la photosynthèse (chlorophylle). Les propriétés électroniques d’une seule dent ont ainsi été modulées en faisant varier les substituants porphyriniques ou la nature du métal central (nickel ou zinc). Cette différenciation est importante car elle induit une variation de contraste submoléculaire en microscopie à effet tunnel, ce qui facilitera l’observation des roues dentées et le suivi de leur rotation.

Roue dentée moléculaire comme unité élémentaire d’engrenages intermoléculaires sur surface. Le bras supérieur (en rouge) a une structure chimique différente permettant de pouvoir suivre la rotation.

Les prototypes de roues dentées pentaporphyriniques sont des molécules très complexes composées d’au moins de 824 atomes (formule chimique C391H395BN28Ni5S3Ru) liés entre eux de manière très contrôlée. Avec leur conception unique et leur structure chimique complexifiée, ces roues dentées seront utilisées pour construire des trains d’engrenages déposés sur surface métallique. Dans cette disposition, il deviendra possible de faire tourner une série de roues dentées de manière coordonnée comme dans un train d’engrenages conventionnel à l’échelle macroscopique, tout en ayant un moyen de visualiser les rotations impliquées.

 

Publication : Desymmetrised pentaporphyrinic gears mounted on metallo-organic anchors, S. Abid, Y. Gisbert, M. Kojima, N. Saffon-Merceron, J. Cuny, C. Kammerer, G. Rapenne, Chemical Science 2021.

DOI : 10.1039/d0sc06379g. Article signalé comme "Hot article" et apparait comme couverture principale

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/SC/D0SC06379G#!divAbstract

Contact : Gwénaël Rapenne, gwenael.rapenne [chez] cemes.fr et Claire Kammerer, claire.kammerer [chez] cemes.fr