La vis d'Archimède constituée d'une seule molécule
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Une équipe internationale de physiciens a mis au point, pour la première fois, une « machine » moléculaire fonctionnant selon le principe de la vis d’Archimède. Cette molécule hélicoïdale est mise en rotation par un courant électrique. Lorsque la rotation atteint une certaine vitesse, le courant augmente brusquement, pouvant même être multiplié par cent. Le groupe de recherche du professeur Fabian Pauly, à l’université d’Augsbourg, a utilisé des simulations informatiques basées sur la mécanique quantique pour expliquer les effets observés. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature.
Les machines moléculaires sont considérées comme la prochaine étape de la miniaturisation. On en trouve des modèles dans les cellules vivantes, où des moteurs moléculaires convertissent l’énergie et génèrent du mouvement. Les scientifiques s’efforcent depuis des décennies de reproduire artificiellement de tels systèmes. Le prix Nobel de chimie 2016 a été décerné pour ces recherches.
Un modèle issu de l’Antiquité
Des moteurs moléculaires alimentés directement par un courant électrique existent depuis 2011. Jusqu’à présent, cependant, ils ne fonctionnaient qu’en tant que molécules posées sur une surface, entraînées par la pointe d’un microscope à effet tunnel.
Pour leur nouvelle machine, les chercheurs se sont inspirés de l’une des plus anciennes machines répertoriées de l’humanité : la vis d’Archimède, qui permet de faire monter l’eau. Les chercheurs ont appliqué le principe de la vis d’Archimède à l’échelle moléculaire. Au lieu de l’eau, ce sont des électrons qui circulent à travers une structure hélicoïdale, la mettant ainsi en rotation.
Une vis moléculaire entre deux pointes en or
Au cœur de la machine se trouve une molécule hélicoïdale, spécialement produite pour cette étude par l’équipe du professeur Michael Pittelkow à l’université de Copenhague. Cette molécule, qui ne mesure que quelques millionièmes de millimètre, peut être fixée à des surfaces en or grâce à des atomes de soufre. À l’Institut Weizmann des sciences en Israël, l’équipe dirigée par le professeur Oren Tal et le docteur Anil Kumar Singh a tendu des molécules individuelles entre deux pointes en or d’une finesse atomique. En ajustant avec précision la distance entre les électrodes, les chercheurs ont pu étirer ou comprimer la vis moléculaire.
Premier moteur moléculaire dont le sens de rotation est contrôlable
Les mesures ont ensuite montré que la molécule tourne lorsqu’une tension est appliquée. Le sens de rotation était univoque et pouvait être inversé en changeant la polarité de la tension. L’étude démontre ainsi, pour la première fois, l’existence d’un moteur moléculaire entraîné par un courant, doté d’un sens de rotation contrôlable et solidement fixé à deux électrodes métalliques.
Le mouvement est entraîné par les électrons eux-mêmes. En traversant la molécule hélicoïdale, ils lui transfèrent un moment cinétique, un peu comme le vent entraîne une éolienne. La direction est déterminée par la spirale de la molécule, tout comme pour une vis à filetage à droite ou à gauche. Au-delà d’une certaine tension, ce mouvement se transforme en rotation continue.
Des calculs réalisés à Augsbourg élucident le mécanisme
Mais pourquoi une molécule en rotation conduit-elle l’électricité nettement mieux qu’une molécule immobile ? Le professeur Fabian Pauly et ses doctorants Léon Martin et Yuta Ito, de la chaire de physique théorique I de l’université d’Augsbourg, ont étudié cette question à l’aide de simulations de mécanique quantique réalisées sur le supercalculateur LiCCA. Leurs calculs ont montré que la rotation de la molécule est étroitement liée à sa conductivité. Celle-ci dépend fortement de l’angle de rotation de la molécule et peut augmenter jusqu’à deux ordres de grandeur pendant la rotation.
« Ce qui est surprenant, c’est que ce sont précisément les positions que la molécule évite lorsqu’elle est au repos qui conduisent le mieux l’électricité. Seule la rotation rend ces positions accessibles », explique Léon Martin.
Une collaboration internationale au service de la recherche
S’appuyant sur ces résultats, les partenaires théoriciens Per Hedegård, de l’Institut Niels Bohr de Copenhague, et Jing-Tao Lü, de l’Université des sciences et technologies de Huazhong à Wuhan, ont développé un modèle simplifié qui a permis de reproduire avec succès la rotation observée expérimentalement ainsi que l’augmentation du courant.
« Dans l’expérience, on ne voit que le courant. Nos calculs nous permettent d’entrevoir ce qui se passe à l’intérieur du nanocontact. Ce n’est que grâce à une étroite collaboration entre l’expérimentation et la théorie, impliquant plusieurs pays, que le mystère de l’augmentation du courant a pu être élucidé », déclare Yuta Ito, doctorant originaire du Japon.
Implications pour les applications futures
Cette découverte présente un potentiel pour les composants électroniques moléculaires, ainsi que pour des applications en spintronique et dans les systèmes microfluidiques. De plus, ces machines miniatures offrent de nouvelles perspectives pour l’étude des processus physiques à l’échelle atomique. « Nous avons montré qu’un courant électrique peut être utilisé pour générer une rotation dirigée et que cette rotation, à son tour, contrôle le courant. Il s’agit d’un nouveau principe de fonctionnement pour des machines situées aux limites mêmes de la miniaturisation », explique Pauly.
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