Le prix Nobel de chimie 2016 attribué aux créateurs des machines moléculaires

Le 5 octobre 2016, le Prix Nobel de chimie a été accordé aux trois hommes qui ont donné naissance aux machines moléculaires, les plus petites machines au monde. Nous parlons ici de moteurs, d’ascenseurs et même de voitures de quelques nanomètres.

Le prix est partagé entre Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart, et Bernard L. Feringa pour le développement des molécules avec des mouvements contrôlables qui peuvent effectuer une tâche bien précise lorsqu’elles sont alimentées par une source  d’énergie.

Le comité Nobel a crédité M. Sauvage, professeur à l’Université de Strasbourg, pour la première grande avancée en 1983. Les molécules se joignent généralement par des liaisons covalentes. Mais l’équipe de M. Sauvage a compris comment relier deux molécules dans une chaîne mécanique (figure 1), en utilisant un ion de cuivre.

Figure 1 : Les premières structures basées sur des liaisons mécaniques

Figure 2 : Synthèse de caténane en utilisant la coordination métallique

En 1991, l’équipe de recherche de M. Stoddart a réussi à construire des anneaux moléculaires taillés autour d’un axe central, une structure connue sous le nom de rotaxane. Ils ont appris à contrôler le glissement des anneaux le long de l’axe, jouant le rôle d’un commutateur moléculaire simple (figure 3).

Figure 3 : Synthèse et mouvement de translation dans un rotaxane

Ceci constitua une grande étape qui leur donna alors la possibilité de bâtir le premier ascenseur moléculaire, pouvant se déplacer jusqu’à une hauteur de quelque 0,7 nanomètres (figure 4).

Figure 4 : un ascenseur moléculaire à base de rotaxane

Dans une même démarche, ils présentèrent un muscle moléculaire  qui pouvait  se contracter sous la commande d’un signal (figure 5).

Figure 5 : Extension et contraction dans une structure de rotaxane

Puis, en 1999, Ben Feringa, de l’Université de Groningen aux Pays-Bas, a démontré comment construire des moteurs mécaniques moléculaires. Normalement, les molécules tournent d’une façon erratique. Mais M. Feringa a créé des structures chimiques qui tournent continuellement  dans une direction bien définie lorsqu’elles sont exposées à des impulsions de lumière UV (figure 6).

Figure 6 : un moteur moléculaire unidirectionnel contrôlé avec la lumière.

Ceci lui permit de construire en 2011 des machines encore plus complexes comme les voitures à l’échelle nanométrique (figure 7).

Figure 7 : la nanovoiture proposée par Feringa

Grâce aux travaux de ces trois chercheurs, toute cette technologie est entrée dans une nouvelle ère. Dans un article publié en septembre 2015 par Mark Pelow dans Nature, on apprend que certains chimistes ont utilisé le principe derrière le moteur de M. Feringa pour développer des commutateurs activés par la lumière qui peuvent administrer des médicaments dans le corps,  à un emplacement et à un moment précis, ce qui augmente considérablement leur efficacité. D’autres chercheurs ont lié ces moteurs ensemble le long d’un polymère qui peut se cicatriser quand on le gratte, ce qui pourrait conduire à un polymère résistant aux égratignures. Ces moteurs pourraient être utiles pour la conception de capteurs ou d’ordinateurs de nouvelle génération. Par exemple, des nanorobots ne pourraient attaquer que les cellules cancéreuses sans déséquilibrer le système immunitaire.

Ensemble, ces chercheurs ont donné aux scientifiques les outils nécessaires pour créer des machines moléculaires. Le 14 octobre 2016 se tiendra la première course de NanoCar en France. L’avenir de la nanotechnologie qui a été imaginée par les auteurs de science-fiction et les physiciens est enfin à portée de main.