Machines et moteurs moléculaires

Une des propriétés fonctionnelles les plus intrigantes au sein des systèmes vivants est leur capacité à générer des mouvements moléculaires collectifs qui produisent des réponses macroscopiques. Par exemple, dans les tissus musculaires, les mouvements coordinés de centaines de têtes de myosines conduisent au glissement des épais filaments de myosine sur les fins filaments d’actine ce qui résulte en une contraction coopérative de l’ensemble du sarcomère. Dans ce cas particulier, les déplacements individuels des protéines ont lieu à l’échelle de 10 nm alors que leur translation intégrée produit une contraction d’un micromètre du sarcomère; ces derniers étant eux-même couplés entre eux, un mouvement macroscopique est alors observé. La synthèse de machines et de moteurs moléculaires artificiels est donc d’un intérêt central pour les chimistes et les physiciens dans le but de mimer leurs pendants biologiques avec comme objectif à long terme le développement de matériaux fonctionnels dynamiques par des approches bottom-up. Cependant, un objectif particulièrement fondamental et ambitieux associé aux nano-machines demeure leur couplage (dans l’espace et dans le temps) afin de transférer leur mouvement contrôlé de l’échelle moléculaire aux échelles macroscopiques. Récemment, nous avons publié une importante avancée scientifique qui démontre l’amplification par quatre ordres de grandeur de la réponse mécanique de centaines  de machines moléculaires liées au sein d’une chaine unique de polymère supramoléculaire et le transfert réversible du mouvement de contraction du nanomètre à la dizaine de micromètre. Nous avons récemment pu aller plus loin dans cette approche pour coupler cette fois-ci de vrai moteurs, capable de consommer de l’énergie pour fonctionner dans un état hors équilibre. Ces moteurs moléculaires (voir structure cristallographique ci-contre) sont capable de produire un mouvement rotatif continue lorsqu’ils sont activés par la lumière. En les intégrant en tant que nœuds de réticulation dans des réseaux de chaines polymères, nous avons démontré qu’ils étaient capable de produire des mouvements macroscopique du gel dans son ensemble (voir vidéo ci-dessous). Cette fois-ci, c’est huit ordres de grandeur qui ont été franchi par le couplage des moteurs, permettant de générer le premier matériel artificiel métastable intégrant des nanomachines, et fonctionnant à la manière de ce qui est rencontré dans les systèmes vivants. Au-delà de l’aspect « muscle moléculaire » ces matériaux sont également capable de stocker l’énergie lumineuse sous forme d’énergie mécanique dans le gel, une énergie que nous cherchons maintenant à réutiliser de manière contrôlée.