Un frein à main pour les machines moléculaires

 

On me l’a toujours répété : une fois la voiture garée, n’oublie pas de mettre ton frein à main !

Et bien il faudra penser faire la même chose avec les machines moléculaires !

 

De très nombreuses nanomachines moléculaires ont déjà été préparées et leurs mouvements mis en évidence par les chercheurs (moteurs, ascenseurs, muscles, voitures…).

Ces systèmes ont besoin d’une source extérieure d’énergie (chaleur, lumière, changement d’état d’oxydation, de pH) pour pouvoir être animés d’un mouvement et en l’absence de stimuli, pas de mouvement.

Mais pourquoi ne pas chercher à « mettre le frein à main » et s’assurer que le système ne sera pas animé d’un mouvement, même en présence d’un stimulus ? Il serait ainsi possible d’envisager la conception de systèmes encore plus complexes, parfaitement contrôlables.

 

Un tel système a été envisagé par Ben Feringa et son équipe, bien connus des amateurs de nanomachines. Son système se base sur les capacités d’auto-assemblage dont font preuve certains composés.

Ainsi lorsque que l’on mélange un ammonium secondaire (R2NH2+) avec un éther couronne, les deux molécules s’assemblent pour donner un pseudo-rotaxane. Cet assemblage est du aux liaisons hydrogènes qui se créent : N+-H·····O et C-H·····O entre les deux motifs.

En revanche, si l’on rajoute une base au pseudo-rotaxane, il va y avoir déprotonation de l’ammonium pour redonner une amine secondaire R2NH qui ne peut plus former de liaison hydrogène avec l’éther couronne. Les deux motifs étant même électroniquement enrichis, ils vont se repousser l’un l’autre et l’amine sort de l’éther couronne : le pseudo-rotaxane se désassemble.

 

Ben Feringa a ainsi imaginé une molécule comportant ces motifs. Celle-ci se compose du moteur de Feringa : un stator (partie inférieure) sur lequel est fixé un éther couronne. Le rotor (partie supérieure) est relié à une chaîne carbonée comportant une amine secondaire.

En milieu acide, l’amine se protone pour donner un ammonium qui va se coordiner dans l’éther couronne. Le rotor est alors bloqué et le moteur ne peut tourner (le frein est mis).

En milieu basique, l’ammonium est déprotoné pour redonner l’amine qui ressort de l’éther couronne, le frein est enlevé et le rotor peut de nouveau tourner.

Pour un schéma expliquant le fonctionnement de ce type de moteur, voir le dossier sur les nanomoteurs et le mouvement macroscopique.

 

 

Une fois la molécule synthétisée (en 20 étapes), différents tests sont réalisées pour montrer sans ambiguïté que :

-         en milieu acide, l’ammonium se place bien dans l’éther couronne et le moteur ne peut tourner sous l’action d’une source d’énergie externe.

-         une fois placé en milieu basique, la chaîne carbonée se libère de l’éther couronne et le moteur peut tourner si celui-ci est irradié.

 

Ben Feringa et son équipe ont donc réussi à mettre au point un outil réversible permettant d’autoriser ou non le mouvement d’une nanomachine.

Ces résultats devraient permettre d’envisager la mise au point de système de plus en plus complexes.

 

 

Source : Qu, D.-H.; Feringa, B.L. Angew. Chem. Int. Ed., DOI : 10.1002/anie.200906064