Des chercheurs ont mis au point un moteur moléculaire inspiré de la vis d’Archimède, un dispositif ancien traditionnellement utilisé pour déplacer l’eau. Cette machine entraînée électriquement ne mesure que quelques millionièmes de millimètre et peut tourner dans l’un ou l’autre sens selon la polarité de la tension appliquée.
Le moteur a été créé à partir d’une molécule en spirale spécialement conçue par un groupe de recherche de l’Université de Copenhague. Des atomes de soufre lui permettent de se fixer à des surfaces en or. À l’Institut Weizmann des sciences, des chercheurs ont placé des molécules individuelles entre deux pointes en or affinées jusqu’à atteindre des dimensions atomiques, puis ont ajusté la distance entre les électrodes afin d’étirer ou de comprimer la structure moléculaire.
Lorsqu’une tension était appliquée, la molécule commençait à tourner. L’inversion de la tension inversait le sens de rotation. Les chercheurs décrivent cette expérience comme la première démonstration d’un moteur moléculaire entraîné par un courant électrique, relié à deux électrodes métalliques et capable d’une rotation directionnelle contrôlée.
La rotation se produit parce que les électrons qui traversent la spirale transfèrent un moment cinétique à la molécule. Une fois que la tension dépasse un certain seuil, le mouvement devient une rotation continue. La structure de la spirale détermine sa réaction au flux d’électrons, selon un processus comparable à l’effet des différents sens de filetage dans les vis conventionnelles.
Les expériences ont également révélé que la molécule en rotation conduit l’électricité bien plus efficacement que lorsqu’elle est immobile. Pour étudier cet effet, des chercheurs de l’Université d’Augsbourg ont utilisé des simulations quantiques sur le superordinateur LiCCA.
Les calculs ont montré que la conductivité varie fortement en fonction de l’angle de la molécule et peut augmenter jusqu’à deux ordres de grandeur, soit 100 fois, pendant la rotation. Les simulations ont indiqué que la molécule évite certaines des configurations qui conduisent le mieux l’électricité lorsqu’elle est au repos. La rotation rend ces configurations accessibles.
Des chercheurs de l’Université d’Augsbourg, de l’Université de Copenhague, de l’Institut Weizmann des sciences et de l’Université des sciences et technologies de Huazhong ont combiné des mesures expérimentales et une modélisation théorique afin d’expliquer ce résultat. Le modèle a reproduit à la fois la rotation observée et l’augmentation concomitante du courant électrique.
Ces résultats pourraient contribuer aux recherches sur l’électronique moléculaire, la spintronique et les systèmes microfluidiques. Ils offrent également un moyen d’étudier la manière dont le mouvement et la conduction électrique interagissent à l’échelle atomique, fournissant un principe de fonctionnement possible pour des machines aux limites de la miniaturisation.
L’étude, intitulée « Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance », a été publiée dans Nature. Les travaux menés à l’Université d’Augsbourg ont été soutenus par la Fondation allemande pour la recherche, les recherches computationnelles ayant été réalisées à l’aide du superordinateur LiCCA de l’université.
Sources: ScienceDaily.