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LE MOTEUR MOLECULAIRE ROTATIFG. Vives (Thèse 2007), A. Carella (Thèse 2004), G. Rapenne (MdC), J.-P. Launay (Prof) |
Dans l’objectif constant de miniaturisation,
la conception de machines et de moteurs à l’échelle
moléculaire est en pleine expansion. Une machine moléculaire
est un système multicomposant dans lequel un signal provoque
le mouvement de l’un des composants. Ce signal peut être
électronique, lumineux, ou contrôlé par le
pH. Ce mouvement doit être réversible, et d’une
amplitude suffisamment grande pour qu’il soit mesurable
et exploitable. On distingue deux familles de machines, les machines
qui travaillent de manière linéaire (par exemple
les muscles), ou rotative. Dans le domaine des nanosciences, un
des défis est la conception et la construction d’un
moteur moléculaire de taille nanométrique [1]. Un
moteur est une machine qui, de manière continue, transforme
une énergie en produisant un travail via un mouvement de
rotation unidirectionnel contrôlé. Celui que l’on
va présenter ici a été pensé pour
être adressé individuellement. Le but est de le déposer
entre deux électrodes distantes de quelques dizaines de
nanomètres (une nanojonction). |
La rotation d’une seule
molécule a déjà été observée
sous la pointe d’un microscope à effet tunnel (STM)
mais sans contrôle sur le sens de la rotation, il s'agissait
en réalité d'une oscillation aléatoire de
la molécule [2]. Point de départ
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Principe de fonctionnement d'un moteur rotatif unidirectionnel électro-déclenché |
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| Le schéma de principe de notre moteur est
représenté ci-après. Il est composé
d'une succession d'étapes rédox élémentaires.
Le groupement électroactif (EG) à proximité
de la cathode devrait être réduit et la répulsion
électrostatique devrait conduire à la rotation d’un
cinquième de tour de la partie supérieure de la
molécule. Le fragment réduit (chargé négativement,
en noir) devrait être attiré par l’anode et
lui céder son électron. Entre temps, un autre groupement
électroactif devrait se placer au voisinage de la cathode,
il serait alors réduit et ainsi de suite. |
La première partie est un socle constitué de
trois pieds, fonctionnalisé de sorteà se lier
de manière covalente à la surface isolante dans
laquelle seront enterrées les deux électrodes
de la nanojonction. |
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En route vers le moteur : un engrenage moléculaire |
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| Dans le schéma de synthèse de notre
molécule cible, le complexe de ruthénium représenté
ci-dessous est un intermédiaire clef.[4] L’atome
de ruthénium est la rotule qui va permettre la rotation.
La partie inférieure est constituée d’un ligand
trisindazolylborate qui a vocation à être fonctionnalisé
pour être accroché sur une surface, il constitue
le stator. Le plateau supérieur, par la présence
des cinq atomes de brome, est prêt à recevoir les
groupements électroactifs. |
Un mouvement intéressant y a été
mis en évidence. Du fait de la gène stérique
imposée par les trois pieds du ligand tripode, la rotation
du plateau supérieur (rotation aléatoire (mouvement
1) provoquée par l’agitation thermique) entraîne
le basculement (mouvement 2) des pales (les 5 groupements para-bromophényle).
Les deux mouvements sont corrélés. |
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Synthèse de la partie active d’un moteur moléculaire |
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| Après quelques étapes supplémentaires,
nous avons obtenu la molécule ci-dessous comprenant cinq
groupes électroactifs, non pas de type [60]-fullerène
dont la connexion n’a pas été possible, mais
de type ferrocène. [5] Les ferrocènes sont des groupements
électroactifs qui s’oxydent facilement et de manière
réversible. |
(iv) Des calculs DFT et des
expériences RMN à T° variable ont montré
que la barrière de rotation du rotor est très faible  Perspectives Ce travail a permis de montrer que la combinaison ruthénium
/ ferrocènes est tout à fait adaptée à
une utilisation potentielle de cette famille de molécules
en tant que moteur piloté électrochimiquement. |
Références:
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