Mouvements intégrés de machines et moteurs moléculaires – INTEGRATIONS

Des premières synthèses chimiques ont été effectuées pour accéder à des systèmes contractiles fondés sur des rotaxanes interpénétrés. En particulier, ces derniers ont été synthétisés en y attachant des terminaisons diaminopyridines. Nous avons parallèlement synthétisé des connecteurs en bâtonnets rigides et très solubles à base de bis-uraciles. Nous avons pu démontrer qu’en associant les bâtonnets et les rotaxanes en polymères supramoléculaires à liaisons hydrogènes (motif de reconnaissance diaminopyridine / bis-uracile), de très longues fibres étaient obtenues. Ces fibres, grâce à une action coopérative des connecteurs, ont été assemblées en fagots de fibres ayant l’aspect d’un muscle strié. Par la suite, nous avons réussi à effectuer des connections entre machines via des unités supramoléculaires de type uréidopyrimidinones, ou encore via des unités covalentes menant à un réseau réticulé permanent, de manière à former des matériaux de type gels composés de machines moléculaires. Nous avons également développé une synthèse de moteurs moléculaires rotatifs et nous les avons insérés dans des chaines de polymères pour former des réseaux donnant lieu la encore à l’obtention de gels chimiques.

La contraction et l’extension des rotaxanes au sein des fibres micrométrique ont montré leurs changements de morphologies. Dans le cas des gels de rotaxanes, nous avons montré que leur activation mécanique conduisait soit à des transitions sol-gels, soit à des contractions macroscopiques du matériau. Enfin, nous avons montré que la rotation des moteurs sous irradiation lumineuse engendrait le tressage des chaînes polymères jusqu’à provoquer une contraction macroscopique du gel. Il s’agit des premières démonstrations d’amplification du mouvement de machines moléculaire artificielles à l’échelle macroscopique.

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Sur les rotaxanes : 2 J. Am. Chem. Soc. (dont 1 highlight par l’éditeur); 1 Angew. Chem. Int. Ed. (hot paper et communiqué de presse de l’éditeur) ; 1 Nanoscale ; et une mini revue invitée sur ce nouveau sujet dans CCS Chemistry (pour son premier numéro).
Sur les moteurs : 2 Nature Nanotech. (dont 1 highlight par l’éditeur, et 1 sélectionné comme « Research of the Year 2017» par le magazine C&EN, 18 décembre 2017) ; 1 Nanoscale (soumis); 1 Tetrahedron (invité par Ben Feringa, Prix Nobel 2016) ; 1 article de concept invité sur le sujet dans Adv. Mat. (numéro spécial sur les matériaux stimulables) ; 1 article de revue invité dans Chem. Rev. (soumis).

Une des propriétés les plus intéressantes des systèmes vivants est leur capacité à générer des mouvements moléculaires collectifs pour produire des réponses au niveau macroscopique. Par exemple, dans les tissus musculaires, les mouvements coordonnés de milliers de têtes de myosines conduisent au glissement de filaments épais de myosine le long de filaments d’actine pour produire une contraction coopérative du sarcomère. Dans ce cas particulier, le glissement individuel des protéines a lieu sur une distance de 10 nm, alors que le mouvement de translation intégré produit une contraction de 1 µm du sarcomère ; ces derniers sont ensuite eux-mêmes couplés entre eux jusqu’à la production d’un mouvement macroscopique. La synthèse de machines et de moteurs moléculaires artificiels est donc d’un intérêt central pour les chimistes et les physiciens qui souhaitent mimer leurs équivalents biologiques avec l’objectif à long terme de mettre au point des matériaux fonctionnels dynamiques via l’assemblage de briques de base moléculaires (approche dite « bottom-up »). Cependant, un des aspects les plus fondamentaux et les plus difficiles à réaliser associés aux nano-machines a trait à leur couplage (dans l’espace et dans le temps) avec pour but de transférer leur mouvement du domaine moléculaire aux échelles macroscopiques. Récemment, nous avons publié une découverte scientifique importante montrant la possibilité de coupler plusieurs milliers de machines moléculaires et d’amplifier par quatre ordres de grandeur leur mouvement mécanique, c’est-à-dire du nanomètre à la dizaine de micromètres. En se fondant sur ce résultat novateur, nous proposons maintenant d’intégrer des mouvements linéaires et de rotations produits par des nano-machines en les combinant à la chimie des polymères et à la chimie supramoléculaire, et dans le but ultime de franchir les derniers ordres de grandeur jusqu’à l’échelle macroscopique. En particulier, nous souhaitons développer deux types de nano-machines : la première qualifiée de « nano-switch » et fonctionnant à l’équilibre thermodynamique, et la seconde pouvant être considérée comme un véritable nano-moteur et qui fonctionnera hors équilibre grâce à l’énergie lumineuse. Ce travail sera développé grâce à une collaboration entre chimistes de synthèse, physiciens expérimentateurs et théoriciens. En utilisant un savoir et des techniques de pointe dans chacun de ces domaines, une telle synergie nous permettra de caractériser et de comprendre dans leur ensemble les nouveaux systèmes chimiques développés, de l’échelle moléculaire à l’échelle macroscopique. Ce projet a pour but de mener à la première mise en œuvre de nano-machines dans des matériaux et des dispositifs à base de polymères, avec la production d’un travail mécanique utile à nos échelles.