Synthèse chimique : nouvelle méthode généralisable pour la formation mécanique de structures moléculaires en 3D
De nouvelles possibilités pour la conception de matériaux innovants
Les fils ou les cordes peuvent facilement être utilisés pour le tressage, le nouage et le tissage. En chimie, par contre, il est pratiquement impossible de traiter les brins moléculaires de cette manière. En effet, les molécules ne sont pas seulement minuscules, elles sont aussi en perpétuel mouvement et ne peuvent donc pas être facilement touchées, tenues ou façonnées avec précision.
Un groupe de recherche de l'Institut de chimie de la Humboldt-Universität zu Berlin (HU), dirigé par le Dr Michael Kathan, est parvenu à enrouler avec précision deux brins moléculaires l'un autour de l'autre à l'aide d'un moteur moléculaire artificiel actionné par la lumière, créant ainsi une structure particulièrement complexe : un caténane (du latin "catena" = chaîne). Les caténanes sont constitués de deux molécules en forme d'anneau qui sont entrelacées comme les maillons d'une chaîne, sans être chimiquement liées l'une à l'autre. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Science.
Le nanomoteur apporte un nouveau type de contrôle mécanique au monde des molécules
"Ce que nous avons mis au point est essentiellement une mini-machine alimentée par la lumière et qui tourne dans une seule direction", explique Michael Kathan. "Nous utilisons ce mouvement contrôlé pour enrouler mécaniquement deux brins moléculaires l'un autour de l'autre et les relier, qu'ils le fassent d'eux-mêmes ou non. Notre moteur apporte désormais une sorte de contrôle mécanique au monde des molécules, que nous ne connaissions auparavant que dans le monde macroscopique."
La nouvelle méthode permet de former une grande variété de structures tridimensionnelles spécifiques
En chimie de synthèse, il était jusqu'à présent extrêmement difficile d'entrelacer des molécules de manière ciblée, surtout si cet arrangement allait à l'encontre du processus naturel d'auto-organisation moléculaire. Dans la nature, les molécules sont constamment en mouvement et peuvent ainsi former des structures tridimensionnelles. Les composants structurels des cellules, tels que les protéines ou la molécule génétique ADN, sont assemblés de cette manière. Toutefois, il ne s'agit généralement pas de structures fixes et permanentes. En laboratoire, des modèles moléculaires ont souvent été utilisés pour définir des structures spécifiques, mais ils ne fonctionnent généralement qu'avec certaines molécules. La nouvelle méthode adopte une approche différente : la machine moléculaire artificielle peut forcer une grande variété de molécules à former des structures tridimensionnelles définies avec précision. Entraîné par la lumière, le moteur rotatif génère à chaque pas une torsion définie mécaniquement, qui est ensuite fixée chimiquement. Le mouvement est directionnel et programmable. "Notre méthode est la première approche sans modèle qui permette un contrôle mécanique aussi précis, et elle est également facilement généralisable", déclare Michael Kathan.
De nouvelles possibilités pour la conception de matériaux innovants
Les caténanes synthétisés en laboratoire à l'aide de la nouvelle méthode sont considérés comme les éléments fondamentaux de structures mécaniquement entrelacées, telles que des chaînes, des tissus ou des réseaux moléculaires. L'étude montre pour la première fois que de telles structures peuvent en principe être produites à partir de molécules très différentes et fournit ainsi une approche conceptuelle fondamentale et généralisable : des architectures complexes, définies mécaniquement, sont techniquement réalisables au niveau moléculaire. Cela élargit le champ de la synthèse chimique et ouvre la porte à la conception de matériaux entiers à partir de molécules mécaniquement entrelacées. Ces matériaux posséderaient des propriétés uniques : une grande flexibilité combinée à une robustesse exceptionnelle grâce à leur architecture moléculaire.
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