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Posté par Adrien le Jeudi 23/03/2017 à 00:00
Les nanomachines s'équipent d'une boîte de vitesse contrôlée par la lumière
Mises à l'honneur par le prix Nobel de chimie 2016, les nanomachines fournissent un travail mécanique aux plus petites échelles. À ces dimensions, les moteurs moléculaires ne peuvent cependant produire ce travail que dans un seul sens. Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Charles Sadron du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), menés par Nicolas Giuseppone, professeur à l'Université de Strasbourg (L’université de Strasbourg (UDS) est une université française située à Strasbourg en Alsace. Son origine remonte à la création du gymnase Jean-Sturm en 1538, devenu...), en collaboration avec le Laboratoire de mathématiques d'Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), sont parvenus à développer des machines moléculaires plus complexes capables de fournir un travail dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...), puis dans l'autre. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) peut même être précisément contrôlé à la manière d'une boîte de vitesses. Cette étude est publiée dans Nature Nanotechnology le 20 mars 2017.


Représentation artistique d'une nanomachine associant des unités motrices (rouges et bleues) et des unités de débrayage (vertes et violettes) et liées par des unités de transmission (chaines polymères représentées sous forme de fils).
Les deux types d'unités tournent en sens opposés sous l'action de deux flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines suivants :) lumineux distincts. Lorsque les moteurs tournent (activés par la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) UV), ils enroulent les chaines polymères par paires, et l'ensemble du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières...) se contracte. Lorsque les unités de débrayage se mettent à tourner (sous l'effet de la lumière blanche), cela a pour effet de désenrouler les chaines polymères et d'étendre le matériau. En jouant sur les intensités lumineuses, il est possible de moduler les fréquences relatives d'enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour d'un support). Cet enroulement peut n'être constitué que d'une seule spire (tour du support), comme...) et de désenroulement et donc de gérer la transmission globale du mouvement, à la manière d'une boîte de vitesse (Une boîte de vitesse est le second maillon de la chaîne de transmission du couple d'un moteur au roues d'un véhicule. La boîte de vitesses propose plusieurs rapports entre la...) sur un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.).
L'unité moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) est représentée en détail en bas à droite et l'unité modulateur en haut à gauche.
© Gad Fuks / Nicolas Giuseppone / Mathieu Lejeune/ Woverwolf/Shutterstock.com

Les moteurs moléculaires peuvent produire un mouvement mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une...) cyclique grâce à une source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) externe, par exemple chimique ou lumineuse, combinée au mouvement brownien (mouvement désordonné et aléatoire des molécules environnantes). Le nanomoteur est ainsi soumis à des chocs moléculaires de toute part, qui compliquent la production d'un travail mécanique orienté et donc utile. Les premiers moteurs moléculaires des années 2000 utilisent le principe du "?cliquet brownien?" qui, à la manière d'un cran sur une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) dentée empêchant le mécanisme de repartir en arrière, va biaiser le mouvement brownien afin que le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir...) ne fonctionne que dans une seule direction. Cela permet de fournir un travail exploitable, mais interdit cependant de changer son sens.

L'équipe de chercheurs s'est donc mise en quête d'une solution pour inverser ce mouvement. Ils ont pour cela relié des moteurs à des modulateurs moléculaires (unités de débrayage), par le biais de chaînes de polymères (unités de transmission). Un modèle mathématique (Un modèle mathématique est une traduction de la réalité pour pouvoir lui appliquer les outils, les techniques et les théories mathématiques, puis généralement, en sens inverse, la traduction des...) a aussi été établi pour comprendre le comportement de ce réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets »,...).

Sous irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de...) ultraviolette, les moteurs vont tourner alors que les modulateurs restent immobiles. Les chaînes de polymère vont donc s'enrouler sur elles-mêmes, et se contracter à la manière d'un élastique qui raccourcit au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure qu'on le torsade. Le phénomène s'observe à l'échelle macroscopique: ces molécules forment un matériau qui se contracte.

Lorsque les molécules sont soumises à une lumière dans le spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), les moteurs s'arrêtent et les modulateurs sont activés. L'énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est...) stockée dans les chaînes de polymères entraîne alors une rotation des modulateurs dans le sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x...) du mouvement originel et le matériau s'étend.

De manière encore plus spectaculaire, les chercheurs ont pu montrer que le taux et la vitesse (On distingue :) du travail produit peuvent être finement régulés grâce à des combinaisons de lumières UV et visibles, comme une boîte de vitesse fonctionnant par modulation de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le...) entre moteurs et modulateurs. L'équipe tente désormais de tirer parti de cette étude pour la mise en œuvre de dispositifs photomécaniques, capables de fournir un travail mécanique contrôlé par la lumière.

Ces travaux ont bénéficié du soutien financier de l'ERC et de l'ANR.


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Source: CNRS