Depuis 15 ans, un petit nombre d’équipe de par le monde dont le groupe nanoscience du CEMES travaillent à la mise au point d’une molécule-mécanique pour la construction de machinerie mécanique moléculaire. Tout a commencé avec la mise en rotation de molécule- roues à plat sur une surface puis montées sur les essieux d’une voiture moléculaire dont l’envergure est de l’ordre du nanomètre. Des molécule-engrenages ont ensuite été expérimentées jusqu’à la construction d’une crémaillère donc le pignon mesure un nanomètre de diamètre. En parallèle, les premières molécule-moteurs sont apparues avec il y a 2 ans la première molécule-moteur dont le sens de rotation est contrôlé à volonté.
Il manquait une étape essentielle à cette molécule-mécanique : montrer qu’une molécule -moteur produit suffisamment de puissance motrice pour entrainer une charge autrement dit une autre molécule. Cette étape vient d’être franchie grâce à une collaboration internationale entre le CEMES-CNRS (Toulouse- France) et MANA-NIMS (Tsukuba- Japon) qui a donné lieu à une publication dans la revue internationale Nanoletters [1]. A l’origine de ce travail, la conception par Takashi Uchihashi (chercheur au MANA-NIMS à Tsukuba) et C. Joachim (chercheur au CEMES-CNRS à Toulouse) de la première expérience visant à démontrer expérimentalement comment une molécule-moteur d’un nanomètre de diamètre et alimentée électroniquement par un courant tunnel peut mettre en rotation contrôlée pas à pas une molécule-rotor non directement excitée par ce courant tunnel.
Il a d’abord fallu concevoir une molécule-moteur avec un tag chimique simple (le methoxycarbonylphenyl) et 3 pieds moléculaires (des 3,5-di-t-butylphenyl) pour légèrement soulever la molécule-moteur de la surface d’or où ces molécules ont été déposées. Pour simplifier l’expérience, la molécule-rotor est identique à la molécule-moteur. Elle est montée sur un défaut atomique de la surface d’or où se déroulera la rotation. Ceci permet d’empêcher sa diffusion latérale sur la surface d’or et permet sa rotation autour d’un axe fixe. La molécule-moteur s’auto-attache à cette molécule rotor. Apres identification d’un dimer moteur-rotor sur la surface d’or par imagerie STM à très basse température et dans l’ultra vide, la pointe de ce microscope est très précisément positionnée au-dessus de la molécule-moteur à mieux que 5 pm. La tension d’alimentation de cette pointe est alors modifiée très rapidement (quelques centaines de ms) pour atteindre une tension positive d’environ 1.8 V nécessaire pour entrer en résonnance avec les premiers états excités électroniques du moteur. Pendant cette excitation, un courant tunnel de grande intensité traverse la molécule-moteur d’où une excitation inélastique. La molécule-moteur tourne alors avec une grande probabilité d’un pas par impulsion de tension en entrainant dans sa rotation la molécule-rotor (Figure 1).
Ce qui est unique dans ce système supramoléculaire moteur-rotor est d’abord le fait qu’à impulsion de tension positive, uniquement la molécule-moteur est excitée électroniquement. Cette excitation fournit suffisamment d’énergie pour également entrainer la molécule-rotor montée sur son axe de rotation. Plus remarquable, le sens de rotation de l’ensemble peut être choisi à volonté simplement en retournant la molécule-moteur par rapport à une des extrémités de la molécule-rotor (Figure 2). Ce retournement est réalisé en manipulant la molécule-moteur avec la pointe du STM. Il s’agit donc de la première démonstration qu’une molécule unique peut fournir suffisamment de puissance motrice pour entrainer une autre molécule sans aucun contact mécanique entre la pointe du STM fournissant l’énergie et la molécule-moteur tout en offrant la possibilité de choisir à volonté le sens de rotation de l’ensemble moteur-rotor.
Ce travail ouvre la voie à la mesure du travail mécanique fourni par une molécule-moteur et a son optimisation pour pouvoir à terme mettre en rotation un train d’engrenages moléculaires et pourquoi pas un nano engrenage solide comme sait déjà manipuler mécaniquement le groupe du CEMES-CNRS à Toulouse [2].
Cette collaboration France-Japon entre dans le cadre du projet WPI du MEXT où le CEMES-CNRS a été sélectionné dès 2008 comme l’un des 5 satellites mondiaux du programme MANA. Le CEMES-CNRS apporte ici son savoir expérimental & théorique en molécule-machines [3] et ses outils de calcul en chimie théorique dans la conception et la compréhension des expériences de manipulations de molécule-unique sur surface.
- Mise en place de l’expérience : la molécule-moteur (A) et la molécule-rotor (B) s’auto-assemblent sur la surface d’or avec la molécule-rotor centre sur son axe de rotation atomique. La pointe du microscope à effet tunnel (STM) est alors positionnée très précisément sur la molécule-moteur sans aucun contact mécanique entre l’apex atomique de cette pointe et la molécule-moteur. Le courant tunnel pointe surface au travers de cette molécule pour une impulsion de tension devant atteindre 1. 8 V permet d’alimenter ce moteur, de le faire tourner et entrainer en même temps la molécule-rotor sans que ce dernier soit directement excité électroniquement. Les molécules A et B sont des 5-(4-methoxycarbonylphenyl)-10,15,20-tris(3,5-di-tert-butylphenyl) porphinatoplatinum(II).
- Illustration des 2 positions possibles du molécule-moteur sur la molécule-rotor afin de faire tourner cette dernière sur la droite (1) ou sur la gauche (2). L’interprétation de la structure atomique du dimer moteur-rotor est donnée en (3) avec le molécule-moteur en A et le molécule- rotor en B.
Contact
Christian.Joachim chez cemes.fr
Références
- A current-driven supramolecular motor with in-situ surface chirality directional switching
P. Mishra, J.P. Hiel, S. Vijayaraghavam, W.V. Rossom, S. Yoshizawa, M. Grisolia, J. Echeveria, T. Ono, K. Ariga, T. Nakayama, C. Joachim and T. Uchihashi
NanoLett., Date de publication (Web) : 22 juin 2015.
DOI : 10.1021/acs.nanolett.5b01908 - Solid state SiO2 nanogears AFM tip manipulation on HOPG
J. Yang, J. Deng, C. Troadec, T. Ondarcuhu and C. Joachim
Nanotechnology, 25, 465305 (2014). - Controlled Step by Step Rotation of a Multi-Component Single Molecule Motor
U.G.E. Perera, F. Ample, H. Kersell, Y. Zhang, G. Vives, J. Echeverria, M. Grisolia, G. Rapenne, C. Joachim and S.-W. Hla, Nature Nano, 8, 46 (2013).