Une vis d'Archimède microscopique tourne entre deux pointes d'or et multiplie la conductivité
Une équipe de recherche internationale a construit un moteur moléculaire entraîné par le courant électrique qui augmente la conductivité jusqu'à cent fois.
Par Giovanni Sapere
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Des physiciens et des chimistes d'Allemagne, du Danemark et d'Israël ont construit un moteur moléculaire à entraînement électrique inspiré du dessin en spirale de la vis d'Archimède. Cette invention à molécule unique, suspendue entre deux pointes d'or à l'échelle atomique, tourne en continu lorsque le courant la traverse et inverse son sens lorsque la polarité électrique s'inverse. En mesurant le transport des électrons et en modélisant les états quantiques, les chercheurs ont découvert que le mouvement de rotation augmente la conductivité électrique jusqu'à 100 fois.
Un mécanisme vieux de deux millénaires à l'échelle atomique
La vis d'Archimède classique fait monter l'eau à l'aide d'un cylindre incliné en rotation. Dans une étude publiée via l'université d'Augsbourg, les scientifiques ont adapté ce principe mécanique pour construire une invention mesurant quelques millionièmes de millimètre. Au lieu de soulever des fluides, cette molécule en forme de spirale transforme le flux d'électrons en rotation mécanique.
Les moteurs moléculaires artificiels ont fonctionné pour la première fois à l'électricité en 2011, mais ces premières versions reposaient sur des surfaces planes et nécessitaient la pointe d'un microscope à effet tunnel pour induire le mouvement. Le nouveau design relie un pont moléculaire autoportant entre deux électrodes fixes. Cette architecture transforme la molécule en actionneur électrique autonome, faisant progresser l'innovation fondamentale en mécanique nanométrique.
« Ce qui est surprenant, c'est que ce sont précisément les positions que la molécule évite au repos qui conduisent le mieux l'électricité. Seule la rotation rend ces positions accessibles. »
— Léon Martin, doctorant à l'université d'Augsbourg
Électrodes en or et électrons en rotation
Le moteur repose sur une molécule hélicoïdale sur mesure synthétisée par le groupe de recherche du professeur Michael Pittelkow à l'université de Copenhague. La structure s'ancre sur des contacts métalliques grâce à des atomes de soufre terminaux. À l'Institut Weizmann des sciences en Israël, le professeur Oren Tal et le Dr Anil Kumar Singh ont positionné des molécules uniques à travers une jonction entre deux pointes d'or affûtées.
L'équipe a ajusté la distance entre les électrodes pour comprimer ou étirer la vis moléculaire. Lorsque les chercheurs ont appliqué une tension au-delà d'un seuil spécifique, les électrons traversant la spirale ont transféré un moment angulaire à l'architecture moléculaire, déclenchant la rotation. Inverser la polarité de la tension a inversé le sens de rotation, à la manière dont les filetages mécaniques à droite et à gauche réagissent à un flux directionnel.
Les modèles sur superordinateur révèlent une hausse centuple de la conduction
Lors des essais expérimentaux, la molécule en rotation a conduit le courant électrique bien mieux que lorsqu'elle était immobile. Pour comprendre la physique de ce comportement, le professeur Fabian Pauly et les doctorants Léon Martin et Yuta Ito de l'université d'Augsbourg ont lancé des simulations de mécanique quantique sur le superordinateur LiCCA.
Les calculs ont confirmé que la conductivité varie fortement selon l'orientation de la spirale, bondissant de 100 fois pendant la rotation active. Les résultats simulés ont ensuite été développés en un cadre théorique avec les physiciens théoriciens Per Hedegård de l'institut Niels Bohr et Jing-Tao Lü de l'université des sciences et technologies de Huazhong. Le modèle a prouvé que la rotation pousse la molécule à travers des états géométriques de forte conduction qu'elle évite normalement au repos, démontrant que le mouvement mécanique peut moduler directement le transport électrique à travers une jonction à molécule unique, ouvrant de nouvelles frontières pour la robotique nanométrique.
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