Des chercheurs ont conçu un moteur moléculaire unidirectionnel révolutionnaire inspiré de la vis d’Archimède. Suspendue entre deux pointes d’or, cette molécule hélicoïdale tourne avec une précision parfaite sous l’effet d’un courant électrique, offrant une modulation de conductance inédite qui ouvre de nouvelles voies pour la nanotechnologie.
Une vis d’Archimède à l’échelle moléculaire propulsée par les électrons
L’histoire des machines commence il y a plus de deux millénaires avec les vis d’Archimède, conçues à l’origine pour pomper l’eau et employées aujourd’hui comme turbines dans les centrales hydroélectriques. Cette géométrie à lames hélicoïdales se retrouve également au cœur des structures nanométriques et des molécules chirales, où les chercheurs ont entrepris d’injecter un courant électrique pour générer un mouvement de rotation par le biais d’un couple mécanique. Selon Richard Korytár et Ferdinand Evers, une telle mise en mouvement peut s’opérer même lorsque le moment angulaire du flux incident est conservé, grâce à des forces motrices alternatives agissant sur les géométries hélicoïdales dès que le courant dépasse une valeur de seuil.
Pour donner vie à ce concept, l’équipe du professeur Michael Pittelkow à l’Université de Copenhague a produit spécifiquement une molécule hélicoïdale mesurant seulement quelques millionièmes de millimètre. Grâce à des atomes de soufre, la structure peut s’ancrer solidement à des surfaces métalliques. Au sein du Weizmann Institute of Science en Israël, l’équipe menée par le professeur Oren Tal et le docteur Anil Kumar Singh a ensuite réussi à tendre des molécules individuelles entre deux pointes d’or extrêmement fines, le dispositif suspendant une molécule de hélicène entre les pointes d’électrodes selon Nature.
En jouant sur la distance entre ces électrodes, les scientifiques ont pu étirer ou comprimer la vis moléculaire à volonté. Lorsque la tension électrique est appliquée, la molécule se met à tourner. Ce mouvement présente une unidirectionnalité parfaite avec une préférence directionnelle de 100% selon Nature, et il peut être inversé simplement en modifiant la polarité de la tension ou en inversant la polarité de la tension selon les observations rapportées.
Le rôle de l’impulsion électronique et de la rotation continue
Le moteur fonctionne grâce aux électrons eux-mêmes. En traversant la structure hélicoïdale, le flux de charges transfère son moment angulaire à la molécule, un peu comme le vent fait tourner les pales d’une éolienne. Le sens de rotation dépend directement du type de pas de vis, qu’il soit à droite ou à gauche.
Au-delà d’un certain seuil de tension, le mouvement observé se transforme en une rotation continue, les calculs prédisant une transition d’un mode par étapes vers un mode continu au niveau du seuil de tension d’après Nature. Les calculs menés à l’Université d’Augsburg par le professeur Fabian Pauly et ses étudiants Léon Martin et Yuta Ito, à l’aide du supercalculateur LiCCA, ont permis de décrypter ce mécanisme intime. Les simulations quantiques montrent que la rotation de la machine moléculaire améliore considérablement sa conductivité électrique, avec un courant à travers la molécule en rotation qui augmente de manière significative selon Nature.
Le surprenant, c’est que ce sont précisément les positions que la molécule évite lorsqu’elle est au repos qui conduisent le mieux l’électricité. C’est uniquement la rotation qui rend ces positions accessibles.
Léon Martin, doctorant à l’Université d’Augsburg
La possibilité d’ajuster ce seuil en comprimant ou en étirant le brin moléculaire distingue cette invention des jonctions hélicoïdales étudiées par le passé, où de tels effets n’avaient pas été observés en raison de différences structurelles et opérationnelles, un constat également souligné dans Nature.
Une collaboration internationale pour repousser les limites de la miniaturisation
Pour consolider ces observations, des partenaires théoriques comme Per Hedegård du Niels Bohr Institute à Copenhague et Jing-Tao Lü de la Huazhong University of Science and Technology à Wuhan ont développé un modèle simplifié. Ce dernier est parvenu à reproduire fidèlement tant la rotation observée que la hausse soudaine du courant. L’avancée s’inscrit dans un effort de longue date pour maîtriser les machines moléculaires, un domaine salué par le prix Nobel de chimie en 2016.
Tandis que les premiers moteurs électriques moléculaires créés dès 2011 dépendaient de la pointe d’un microscope à effet tunnel pour se déplacer sur une surface plane, la nouvelle machine se distingue par sa fixation permanente entre deux électrodes métalliques. Cette configuration inédite ouvre des perspectives concrètes pour les composants électroniques de taille sub microscopique, les applications en spintronique et les systèmes microfluidiques, tout en offrant de nouveaux outils pour explorer la physique à l’échelle atomique.
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