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Des nanomoteurs pour des courses de nanovoitures

Aurélie Dureuil

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Des nanomoteurs pour  des courses de nanovoitures

Simulation de la manipulation de deux roues moléculaires solidaires poussées par une pointe d'un microscope à effet tunnel.

© © CNRS Photothèque - BOUJU Xavier

Des travaux de chercheurs toulousains du Cemes marquent une nouvelle étape dans le développement de molécules-moteurs et même de voitures à l'échelle nanométrique.

L'idée est partie d'une blague et devrait maintenant se concrétiser : organiser une course de nanovoitures. L'événement ne se tiendra pas à Monaco mais dans l'intimité du Centre d'évaluation de matériaux et d'études structurales (Cemes), laboratoire CNRS à Toulouse où a germé l'idée. Il s'agit d'un des trois laboratoires au monde à travailler sur les nanovoitures. Si l'idée d'un tel concours peut faire sourire, il a pour objectif d'accélérer les recherches dans le domaine des nanomoteurs, futurs composants de robots nanométriques. « Nous avons lancé l'idée sous forme d'une blague avec l'objectif de booster ce domaine. Et finalement, cela devient de plus en plus réel. Ce concours pourra être organisé. Nous en avons établi les premières règles et avons construit la première piste, atome par atome », indique Christian Joachim, directeur de recherche au Cemes-CNRS. La course ne devrait pas être retransmise sur les grandes chaînes de télévision. Les chercheurs devront utiliser un microscope à effet tunnel à basse température et à quatre têtes permettant à chaque équipe (quatre au maximum, en fonction du nombre de têtes) de faire courir sa nanovoiture sur une même surface. Un équipement que le laboratoire du Cemes est en train de concevoir et qui devrait être prêt à fonctionner début 2014 pour la poursuite de ses recherches sur les molécules-machines et les circuits électroniques construits atome par atome. Car avant de vouloir concurrencer le secteur de la F1, les chercheurs de l'équipe Nanosciences du Cemes travaillent à l'interface de la chimie de synthèse, de la microélectronique et de la mécanique pour concevoir des machines à l'échelle de quelques atomes ou d'une seule molécule.

« Notre première publication sur le sujet dans Science date de 1998. Nous avions alors montré comment déclencher ou arrêter à volonté la rotation libre d'une seule molécule dans une petite cavité moléculaire de 3 nm de diamètre. Nous nous sommes ensuite intéressé à des machineries moléculaires plus complexes comme une crémaillère moléculaire dont le pignon est fait d'une seule molécule de 1,2 nm de diamètre. Le Guinness Book nous a d'ailleurs décerné en 2012 le certificat du plus petit engrenage au monde », note Christian Joachim. Plusieurs pistes sont alors explorées dont la conception dès 2002 des premières roues moléculaires montées sur une molécule-charrette et la synthèse de ce premier nanovéhicule par Gwénaël Rapenne, professeur de chimie à l'université Paul Sabatier de Toulouse et également membre du Cemes, et ses étudiants en 2003. Puis viendra la création d'une molécule- moteur. « Nous voulions, avec Gwénaël Rapenne et Jean-Pierre Launay, également du Cemes, construire une molécule pour explorer le concept de travail fourni par une seule petite molécule », détaille le chercheur. Et enfin, la mise au point d'une voiture à l'échelle moléculaire. Des développements ont depuis été réalisés et notamment sur les moteurs. C'est dans une publication début 2013 que l'idée a été lancée d'organiser cette course de nanovoitures. Et les chercheurs avancent vers cet objectif. Ils ont ainsi développé « le plus petit moteur dont on peut contrôler le sens de rotation ». Les chercheurs ont atteint, avec un rotor de 2 nm, « la taille limite inférieure pour un dispositif capable de transformer l'énergie en mouvement de rotation », selon le CNRS.

Une architecture chimique

 

« Nous avons réalisé une molécule fonctionnalisée sur laquelle nous pouvons agir », indique Christian Joachim. Le rotor est réalisé par cinq ferrocènes reliés à un phényl central, tandis qu'un ruthénium au centre fait office d'axe de rotation. Enfin, l'ensemble est soulevé par trois pieds et des tiols pour agripper la molécule sur la surface. On n'obtient pas une telle molécule par hasard. « Cette molécule est le fruit d'une belle conception architecturale de chimie. Nos recherches consistent notamment à définir la molécule, la concevoir, faire sa rétrosynthèse puis valider la possibilité de sa synthèse. Un paramètre important également est de s'assurer que la molécule ne se décompose pas au cours de l'étape de sublimation sur la surface », détaille le chercheur. Pour toute la partie chimie, il travaille en tandem avec Gwénaël Rapenne.

La microscopie à effet tunnel entre ensuite en jeu pour observer cette molécule et ses interactions avec la surface. Puis viennent de gros calculs de chimie théorique pour reproduire l'expérience numériquement et extraire les différentes conformations de la molécule- moteur sur sa surface. « Nous devons, entre autres, vérifier que c'est la bonne molécule. Puis vérifier sa tenue sur la surface », détaille Christian Joachim. L'équipe a ainsi observé sa rotation à température ambiante et l'utilité de refroidir pour bloquer ce mouvement. La pointe du microscope à effet tunnel sert également à fournir l'énergie pour une rotation contrôlée. « Nous amenons la pointe sur une des pales de notre molécule et nous faisons passer un courant tunnel au travers. La précision de ce pointage doit être de l'ordre du centième de nanomètre. Il faut trouver le seuil pour apporter suffisamment d'énergie afin que le rotor tourne pas à pas. Quand nous visons un autre angle, nous ciblons une autre pale. Cela nécessite une précision extrême. Avec une molécule comme celle-ci, on devient nanomécanicien », souligne Christian Joachim. Avec cette molécule- moteur, plusieurs pistes de travail s'ouvrent pour les chercheurs. D'abord vérifier que cette molécule-machine peut produire du travail, en lui attachant un groupement chimique, par exemple. Des études théoriques vont également être menées pour comprendre la physique intrinsèque de ces molécules-moteurs et en améliorer le rendement, si rendement il y a, précise Christian Joachim. Les chercheurs prévoient également d'essayer de la lier à d'autres dispositifs. Pour les chimistes de l'équipe, le défi sera de lui adjoindre un engrenage moléculaire et d'ainsi faire tourner une molécule à côté. Et, avec des perspectives plus lointaines, de modifier les caractéristiques de ce moteur. Car dans les véhicules de course, chaque moteur a ses propriétés spécifiques. Au-delà de l'idée de la course de nanovoitures, les chercheurs affichent les défis scientifiques à relever pour mettre en œuvre des moteurs et des robots à l'échelle nanométrique.

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