Un giga défi relevé en nanotech
08/11/11

Pour fonctionner, un organisme vivant utilise un nombre impressionnant de machines moléculaires, chacune dédiée à une tâche mécanique spécifique, comme la contraction d’un muscle ou le transport intracellulaire de produits de la biosynthèse. Ces machines sont capables de rectifier les mouvements Browniens (désordonnés) causés par l’agitation thermique pour générer des forces directionnelles. Mais qu’est-ce qu’une machine moléculaire ?

Il s’agit d’un complexe moléculaire composé de deux parties dont l’une peut se déplacer par rapport à l’autre, suite à un stimulus (la lumière, une source d’énergie, un gradient de concentration,…) en effectuant un travail mécanique. Ce déplacement intramoléculaire est capable de générer une force directionnelle considérable qui peut se manifester à l’échelle soit nano- ou microscopique (transport intracellulaire) soit macroscopique lorsque les machines travaillent de manière collective (contraction musculaire).

 

 

Ces machines moléculaires biologiques ont inspiré les chimistes qui depuis quelques années synthétisent des nano-machines capables de mimer le monde naturel, en produisant un travail mécanique détectable à l’échelle microscopique ou macroscopique, comme le déplacement d'une goutte capable de remonter le long d'un plan incliné (1) ou la rotation d'objets submillimétriques sur un substrat (2).

L’exploration de ces systèmes à l’échelle moléculaire et la compréhension des processus mécaniques a été rendue possible grâce au développement récent des techniques de manipulation de molécules individuelles (optical tweezers, magnetic tweezers, et microscopie à force atomique-AFM). L'unité de recherche de NanoChimie et Systèmes Moléculaires du Département de chimie de l’Université de Liège est spécialisée dans le développement de méthodes dérivées de l'AFM afin d'étudier, manipuler et modifier la matière à l’échelle de la molécule unique.

Les chercheurs de ce laboratoire sont parvenus à explorer le mouvement sub-moléculaire dans une seule machine moléculaire synthétique de moins de 5 nanomètres de long. Ils ont ainsi mesuré les forces générées et le travail mécanique effectué par cette nano-machine.

Parmi les machines moléculaires synthétiques se trouve le rotaxane. Cette molécule complexe est formée d’un anneau enfilé sur un axe. Cet axe présente un ou plusieurs sites de reconnaissance, appelés stations, sur lesquels l’anneau peut se fixer par des liaisons intramoléculaires en fonction de ses affinités. L’environnement chimique pousse l’anneau à rester préférentiellement sur une des stations (là où il peut faire les liaisons les plus fortes. Ce site est thermodynamiquement favorisé).

 

(1) Nature Materials 2005, 4, 704
(2) Nature, 2006, 440, 163

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