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Engins moléculaires

 
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Apophis
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MessagePosté le: Mar 30 Mar - 17:02 (2010)    Sujet du message: Engins moléculaires Répondre en citant


Sciences physiques et nanotechnologies
La première nano-voiture moléculaire

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/30700.htm
Les chercheurs de Rice University (Houston, Texas) ont synthétisé un assemblage moléculaire dont la structure s'apparente à une voiture. La "nano-car", telle que l'appelle son inventeur, James Tour, dispose d'un "châssis" et de deux "essieux" constitués de molécules organiques avec des groupements chimiques bien choisis pour permettre aux "essieux" de tourner librement autour de leur axe. Les quatre roues sont en réalité des buckyballs, ou fullerènes, assemblages moléculaires sphériques constitués de 60 atomes de carbone et découverts à Rice par Rick Smalley, Prix Nobel de chimie. L'ensemble mesure 3 nm sur 4 nm et a la capacité de se mouvoir à la façon d'une voiture en se déplaçant perpendiculairement à l'axe des essieux par rotation des roues. La manipulation de la voiture et l'étude de son mouvement sur une surface d'or ont été réalisées à l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM). Les observations montrent qu'à température ambiante, les interactions électroniques entre les fullerènes et les atomes d'or de la surface sont suffisamment fortes pour empêcher la mise en mouvement du véhicule. Il faut apporter de l'énergie thermique au système et porter sa température jusqu'à 200°C pour pouvoir observer un déplacement de l'assemblage moléculaire sur la surface. La difficulté a été de montrer sans ambiguïté que ce déplacement ne résultait pas d'un simple glissement à la surface, mais qu'il y avait bien roulement, avec rotation des groupements fullerènes aux extrémités des essieux. Ce sont les images STM de la structure enregistrées à intervalles de temps réguliers qui permettent de répondre à la question, en montrant que la "nano-car" progresse sur la surface dans la direction perpendiculaire à l'axe des essieux. De plus, en positionnant la pointe du STM sur la structure, il est possible de la pousser sur la surface, et les chercheurs ont observé qu'il était beaucoup plus facile de la déplacer dans le sens de rotation des "roues" que de la pousser dans la direction perpendiculaire.
Une des difficultés majeures de ce travail a été de synthétiser la structure complète, et plus particulièrement l'attache des fullerènes aux essieux s'est avérée délicate. Le savoir-faire acquis en nano fabrication par l'équipe du professeur Tour lui permet maintenant d'envisager la réalisation d'autres structures comme une nano-car guidée par la lumière et d'autres véhicules moléculaires capables de transporter des charges. Au-delà de l'effet d'annonce publicitaire généré par cette analogie avec nos voitures, le contrôle de déplacements moléculaires sur une surface que viennent de réaliser les chercheurs de Rice University constitue une avancée très intéressante dans l'optique de la mise au point de nano-mécanismes.


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MessagePosté le: Mar 30 Mar - 17:02 (2010)    Sujet du message: Publicité

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MessagePosté le: Mar 30 Mar - 17:06 (2010)    Sujet du message: Engins moléculaires Répondre en citant

La propulsion des nanorobots
Des moteurs catalytiques qui utilisent le fluide environnant comme combustible propulsent aujourd'hui des robots microscopiques. Ils ouvrent la voie à de nombreuses applications.
Thomas Mallouk et Ayusman Sen
Imaginez des bistouris, des pelleteuses ou des arcs à souder aussi petits que des bactéries. De minuscules outils robotisés, injectés dans le corps, pourraient localiser et neutraliser les sources de maladie, par exemple les plaques dans les artères ou les dépôts de protéines associés à la maladie d'Alzheimer. Ces nanomachines – des robots à l'échelle du nanomètre – pourraient aussi pénétrer dans les poutres des ponts ou les ailes des avions pour y réparer d'invisibles fissures avant qu'elles ne s'aggravent et provoquent des catastrophes. Ces dernières années, les chercheurs ont créé tout un ensemble de remarquables structures à l'échelle moléculaire, qui pourraient devenir les composants de ces minuscules machines. Une voiture moléculaire dotée de quatre fullerènes (des molécules de carbone en forme de ballon de football) en guise de roues, 5 000 fois plus petites qu'une cellule humaine, a ainsi été mise au point.
Mais sous le capot de cette nanovoiture, pas de trace de moteur. Elle ne se déplace qu'au gré des collisions aléatoires avec les molécules du milieu environnant, un processus connu sous le nom de mouvement brownien. C'est actuellement le plus grand problème des nanomachines : nous savons les construire, mais pas comment les faire se déplacer.
À l'échelle d'une cellule ou au-dessous, le déplacement pose des défis spécifiques. L'air et l'eau paraissent aussi épais que de la mélasse, et le mouvement brownien s'oppose au déplacement dirigé des molécules. Dans de telles conditions, des moteurs à explosion ou électriques tels ceux des voitures ou des trains, à supposer que l'on arrive à en construire à l'échelle moléculaire, ne pourraient même pas démarrer.



Kenn Brown, Mondolithic Studios

Les robots microscopiques ont besoin d’une source d’énergie pour se déplacer. Les moteurs catalytiques, qui convertissent l’énergie chimique ne mouvement, permettront peut-être à des nanomachines de se déplacer dans un milieu fluide où le mouvement brownien et la viscosité dominent.
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MessagePosté le: Mar 30 Mar - 17:07 (2010)    Sujet du message: Engins moléculaires Répondre en citant

. Qu'est-ce qu'une machine moléculaire ?

Une machine moléculaire, c'est soit une machine de la taille d'une molécule, soit une molécule qui agit comme une machine, selon le point de vue... 
Pour le grand public, mieux vaut adopter le second point de vue, c'est plus parlant. Une machine, comme un moteur électrique ou un téléphérique, est un objet qui provoque un mouvement mécanique qui sert à quelque chose. Par exemple, le moteur d'une voiture tourne pour entraîner une roue, un téléphérique transporte des passager d'un sommet à l'autre. Une machine est dite "moléculaire" si elle a la taille d'une molécule unique, ie au maximum quelques nanomètres (milliardième de mètre). Ainsi le domaine des machines moléculaires fait partie des "nanosciences". A cette échelle très petite, une machine moléculaire peut aussi transporter un chargement... d'un côté à l'autre de la membrane d'une cellule, ou bien tourner comme une toupie, ou encore profiter d'un mouvement pour envoyer de la lumière ou un électron. 
Le chimiste, lui, dira plutôt qu'une machine moléculaire, c'est une molécule constituée de deux parties, au moins, reliées entre elles par un lien mécanique et dont l'une peut se déplacer par rapport à une autre sous l'influence d'un signal extérieur. Il faut en effet un signal énergétique pour provoquer le mouvement, même à cette échelle : soit de la lumière, soit du courant, soit l'ajout d'un réactif "réservoir d'énergie chimique", soit une combinaison de plusieurs signaux. 

2. Qu'est-ce qu'un objet nanoscopique ?
Le terme "nanoscience" regroupe toutes les sciences qui étudient les propriétés des objets nanoscopiques. 
Un objet nanoscopique est un objet extrêmement petit, de la taille du nanomètre. 
Et un nanomètre, c'est un mètre coupé en un milliard de morceaux de même longueur. Autant le dire, c'est assez petit... Un cheveux fait quelques milliers de nanomètres d'épaisseur, une piste gravée sur un processeur de dernière génération fait une centaine de nanomètres d'épaisseur, un filament d'ADN a un diamètre de 2 nm, et il faut dix atomes de fer pour faire un collier d'un nanomètre de longueur. 
D'aucun disent que les nanosciences sont LA science du XXIème siècle. 
Comment contrôler un objet aussi petit ?
 
3. Comment fait-on "marcher" une machine moléculaire ?
Dans une voiture, on met de l'essence pour faire tourner le moteur. Oui, mais de l'essence c'est un nombre énorme de molécules. Si le moteur a la taille d'une molécule, comment fait-on ? 
Et bien en gros on peut faire pareil. Dans notre corps par exemple, ainsi que dans tous les organismes vivants, il existe une molécule appelée ADP qui agit comme un réservoir d'énergie : lors qu'on lui branche un groupe d'atomes supplémentaire, on lui donne en même temps de l'énergie. Cette nouvelle molécule agit comme un réservoir "chargé", et elle s'appelle alors ATP. Elle se déplace dans le corps et lorsqu'elle rencontre une protéine qui a besoin d'énergie, ce lien est coupé. La protéine récupère ainsi l'énergie stockée, en libérant le réservoir "vide" ADP, qui va pouvoir se recycler. L'ATP est dans ce cas un signal chimique qui actionne la protéine. 
En chimie, on peut de la même façon créer un mouvement moléculaire en ajoutant au milieu un réactif. Mais on peut aussi mettre en mouvement une molécule d'autres façons : par exemple, en l'éclairant avec de la lumière, ou en lui envoyant un signal électrochimique (de l'électricité). On peut aussi combiner ces signaux: éclairer en ajoutant un réactif chimique, ou bien faire passer du courant et éclairer. On peut aussi tout simplement chauffer, on apporte alors de l'énergie thermique à la molécule. 
Quels type de mouvements arrive-t-on ainsi à provoquer ? 


4. Quel type de mouvements peut-on réaliser ?
Pour rester simple, on peut envisager les mouvements suivants : 
  • le mouvement "téléphérique", qui consiste à transporter un groupement d'atomes d'un endroit à un autre :
     
     

  • le mouvement "toupie", qui consiste à faire tourner une roue moléculaire dans un sens ou dans un autre :
     
  • le mouvement "pendule", qui consiste à faire osciller un élément mobile par rapport à une tourelle : 

     

  • le mouvement "glissade", qui consiste à faire glisser un ski moléculaire le long d'une glissière :

     
Chacun de ses mouvements a eu au moins un représentant dans l'un des nombreux laboratoires à travailler sur ce thème depuis environ une quinzaine d'années. 
Mais attention ! Ceci ne veut dire, ni que les mouvements que les chercheurs ont réussi à provoquer étaient rapides, ni qu'ils étaient efficaces, et encore moins qu'ils ont trouvé une application industrielle. Le domaine des machines moléculaire est un domaine neuf et en pleine expansion. On commence à peine à voir les applications potentielles de ces nano-objets. Il reste très compliqué de contrôler le mouvement au niveau moléculaire, et impossible de le faire avec une réelle efficacité ou pendant longtemps. On est très loin de certains films de sciences fiction ! 
Pour les scientifiques et les curieux qui souhaitent savoir quels sont les coeurs réactionnels des molécules du laboratoire, cliquez ici... 

5. Quels sont les grands principes des machines développées au LCOM ?
Le développement de machines moléculaires demande la maîtrise de grands principes sur lesquels les machines sont fondées. Quels sont-ils ? 
  1. Maîtriser la synthèse : ceci n'est pas un principe, mais un ensemble de principes. Une machine moléculaire artificielle est une molécule composée d'un coeur réactionnel, autour duquel viennent s'organiser des éléments de contrôle de la géométrie, des liens, des corps mécaniques : c'est un système à plusieurs composants. Ils faut lier tous ces composants entre eux, et comme dit, on ne dispose d'aucune nanopince pour manipuler nos groupes d'atomes et les lier entre eux: il faut savoir comment les forcer à se lier tout seul, selon les lois de la nature. L'ensemble de ces principes s'appelle la synthèse chimique, et c'est une science à la fois bien maîtrisée et en perpétuelle redécouverte. Les machines issues du LCOM ont demandé souvent plusieurs années pour être développées, et refaire un gramme de telle ou machine demanderait plusieurs mois de travail pour un chimiste expérimenté !  
  2. La chimie des complexes polypyridine du ruthénium(II) : fortement photoactifs, ces complexes éjectent un ligand lorsqu'on les éclaire avec de la lumière. Il "suffit" donc d'inclure ces ligands dans un anneau, ou un bâton moléculaire, et le tour est joué...  
  3. La chimie et l'électrochimie des complexes du cuivre(I) et (II) : l'ajout ou le retrait d'un électron d'un ion cuivre change fortement sa façon de se lier à des fragments organiques. Si différents ligands sont présents dans un fragment moléculaire, l'oxydation ou la réduction de la molécule peut provoquer un mouvement, pourvu que le cuivre soit content...  
  4. La chimie des porphyrines : ces carrés moléculaires, que l'on retrouve dans un grand nombre de protéines du monde vivant, absorbent fortement la lumière. Par ailleurs, ils peuvent se lier à des ions métalliques comme l'or(III), le zinc (II), ou rester libres, et ceci change leur façon d'interagir avec la lumière. Lorsqu'ils ont absorbé l'énergie lumineuse, ces carrés doivent l'évacuer : ils envoient des électrons ou de l'énergie à d'autres endroits de la molécule, et on peut ainsi provoquer un mouvement.  

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MessagePosté le: Mar 30 Mar - 17:09 (2010)    Sujet du message: Engins moléculaires Répondre en citant

Nanotechnologies: rotation d'une roue moléculaire montée sur essieu
Des chercheurs du Centre d'élaboration des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et d'études structurales de Toulouse (CEMES-CNRS) et leurs collègues de la Freie Universität de Berlin sont parvenus pour la première fois à contrôler la rotation d'une roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) moléculaire.

L'expérience de nano-mécanique porte sur une roue d'un diamètre de 0,7 nm attachée à un essieu (Dans un véhicule à roues, un essieu est un arbre placé transversalement sous la caisse et supportant par...) de 0,6 nm de long. Une telle réussite ouvre la voie à la création des premières molécule-machines. Ces travaux ont été publiés on line, le 21 janvier 2007, dans la revue Nature Nanotechnology.



La molécule roue-essieu-roue


Dans l'histoire des inventions, la roue est à l'origine de développements scientifiques et technologiques considérables: depuis la création des horloges astronomiques, des machines à calculer jusqu'aux véhicules tractés et autres voitures à moteurs. Á l'échelle moléculaire, plus petite échelle pour créer une roue, elle représente pour les chimistes et les physiciens un véritable défi. Depuis la fin des années 1990, les chimistes du CEMES travaillent à la réalisation de molécule-machines munies de roues. Étape par étape, ils ont défriché ce domaine avec leurs collègues d'IBM (International Business Machines Corporation (IBM) est une société multinationale américaine présente dans les domaines...) Zürich puis de la Freie Universität de Berlin. Après l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide...) de la rotation aléatoire d'une roue moléculaire à plat en 1998, la conception et la synthèse d'une brouette (La brouette est un petit tombereau « à bras » (à énergie humaine). C’est l’outil ergonomique pour...) unimoléculaire en 2003 puis la synthèse d'un moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par...) moléculaire en 2005, ils sont parvenus l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la...) dernière à faire fonctionner la première crémaillère moléculaire d'un pignon de 1,2 nm de diamètre.

Aujourd'hui, les chercheurs ont montré qu'une roue moléculaire montée sur un essieu, le plus court possible, pouvait tourner. Ils ont réussi à contrôler son sens de rotation. Pour préparer cette expérience de nano-mécanique, les chimistes du CEMES-CNRS ont conçu et synthétisé une machinerie moléculaire simple faite d'une molécule-essieu de 0,6 nm de long où viennent se lier chimiquement deux roues triptycènes d'un diamètre de l'ordre de 0,7 nm (figure ci-dessus). Le type de roue et de surface a été minutieusement choisi. Deux roues crantées et sans "pneus" ont été utilisées pour leur adhérence maximale à la surface de roulement ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le mouvement d'un corps qui reste...), une surface de cuivre ultra propre. Sa rugosité naturelle présente des rangées d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la...) de cuivre séparées d'une distance de 0,3 nm environ et d'une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) mono-atomique.

L'expérience consiste à déposer délicatement des molécules roue-essieu-roue sur la surface de cuivre puis à repérer par imagerie en microscopie à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel,...) (STM) et à très basse température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de...) les molécules se trouvant dans la bonne orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des...) par rapport aux rangées d'atomes de la surface. La pointe du STM positionnée sur une roue permet de la faire tourner. En avançant la pointe (figure ci-dessous), le microscope se comporte comme un doigt agissant dans le déclenchement de la rotation.



Passage de la pointe STM sur une roue induisant une rotation de 120°


L'opérateur du STM suit en temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les...) réel sur son écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies...) de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) les variations du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).) qui passe au travers de la roue pendant qu'il la fait tourner. Suivant les conditions de manipulation de la molécule, il peut à loisir faire tourner une roue puis l'autre alors que la molécule avance ou faire avancer la molécule sans faire tourner ses roues.

Cette expérience permet d'approcher et de comprendre à l'échelle d'une seule molécule des fonctionnalités connues à l'échelle macroscopique. Sans roue, certains modes d'avancée technologique ne pourraient pas fonctionner. La séparation de la partie habitable ou technique d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre, sur des...), par exemple, est obligatoire pour éviter le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en...). Á l'échelle moléculaire, le raisonnement et les conséquences sont similaires. Si le plateau de la molécule n'est pas séparé de la surface, il y a interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une...) et donc destruction. Ces résultats ouvrent la voie à la création de molécule-machines. Un objectif ? Pouvoir un jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux...) embarquer dans une seule molécule toute la machinerie d'une nano-voiture: quatre roues, un moteur, etc.
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MessagePosté le: Mar 30 Mar - 17:12 (2010)    Sujet du message: Engins moléculaires Répondre en citant


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MessagePosté le: Mar 30 Mar - 17:13 (2010)    Sujet du message: Engins moléculaires Répondre en citant

http://www.youtube.com/watch?v=mDYr72fYloQ&NR=1
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