Dans une avancée qui rendrait les Grecs de l'Antiquité soit très fiers, soit profondément perplexes, des scientifiques ont construit un moteur moléculaire qui tourne lorsqu'un courant électrique le traverse. La minuscule machine, inspirée de la vis d'Archimède – l'une des plus anciennes machines de l'histoire – peut même inverser sa direction lorsque la tension est commutée. C'est un pas significatif vers la création de machines fonctionnelles à l'échelle la plus petite possible, en supposant que vous ayez un jour eu besoin d'une vis assez petite pour se perdre entre les coussins de votre canapé.

Les machines moléculaires sont largement considérées comme la prochaine frontière de la miniaturisation. La nature en possède déjà des exemples fonctionnels à l'intérieur des cellules vivantes, où des moteurs moléculaires utilisent l'énergie pour produire du mouvement – parce que la nature, comme d'habitude, est arrivée la première et n'a même pas pris la peine de publier. Les chercheurs ont passé des décennies à essayer de recréer artificiellement ces systèmes biologiques, et les progrès du domaine ont été reconnus par le prix Nobel de chimie 2016, ce qui est l'équivalent scientifique d'obtenir une étoile dorée pour avoir enfin rattrapé une bactérie.

Les scientifiques ont d'abord développé des moteurs moléculaires alimentés par l'électricité en 2011, mais ces premières conceptions fonctionnaient sur des surfaces et dépendaient de la pointe d'un microscope à effet tunnel pour entraîner leur mouvement – essentiellement l'équivalent moléculaire d'avoir besoin d'un chariot élévateur pour tourner une poignée de porte. Le nouveau moteur adopte une approche différente, empruntant sa conception à la vis d'Archimède, traditionnellement utilisée pour faire monter l'eau. Au lieu de l'eau, la nouvelle conception permet aux électrons de voyager à travers une molécule en forme de spirale, ce qui la fait tourner lorsque le courant électrique la traverse. Même principe, plomberie plus petite.

Le composant central du moteur est une molécule spirale spécialement conçue par le groupe de recherche du professeur Michael Pittelkow à l'Université de Copenhague. Mesurant seulement quelques millionièmes de millimètre, la molécule peut s'attacher à des surfaces en or via des atomes de soufre – parce que même à l'échelle moléculaire, les scientifiques insistent apparemment pour rendre les choses inutilement sophistiquées.

À l'Institut Weizmann des sciences en Israël, des chercheurs dirigés par le professeur Oren Tal et le docteur Anil Kumar Singh ont positionné des molécules individuelles entre deux pointes d'or affûtées à des dimensions atomiques. En modifiant soigneusement la séparation entre ces électrodes, l'équipe pouvait étirer ou comprimer la vis moléculaire. Lorsqu'ils appliquaient une tension électrique, les mesures révélaient que la molécule commençait à tourner. Plus important encore, ils pouvaient inverser sa direction simplement en changeant la polarité de la tension – ce qui est l'équivalent moléculaire de mettre une voiture en marche arrière, sauf que la voiture mesure quelques millionièmes de millimètre et que vous ne pouvez même pas la voir.

Il s'agit de la première démonstration d'un moteur moléculaire entraîné par un courant électrique, fermement connecté à deux électrodes métalliques, et capable de tourner dans une direction contrôlable. Cela fait trois premières en une seule phrase, ce qui est l'équivalent scientifique d'un coup du chapeau.

La force motrice provient directement des électrons qui traversent la molécule spirale. En se déplaçant, ils transfèrent un moment angulaire à la structure moléculaire, produisant une rotation un peu comme l'air en mouvement fait tourner une éolienne. La forme de la spirale détermine sa réponse à ce flux, semblable à la différence entre des vis à filetage droit ou gauche. Une fois que la tension appliquée dépasse un certain seuil, le mouvement devient une rotation continue – parce que même à l'échelle moléculaire, les choses ont besoin d'un bon coup de pouce pour démarrer.

Mais les expériences ont révélé un autre effet intrigant : la molécule en rotation conduisait l'électricité beaucoup plus efficacement que lorsqu'elle était stationnaire, soulevant une question importante sur ce qui se passait à l'intérieur de la minuscule machine. Pour enquêter, le professeur Dr Fabian Pauly et ses doctorants Léon Martin et Yuta Ito à l'Université d'Augsbourg ont utilisé des simulations de mécanique quantique sur le superordinateur LiCCA. Leurs calculs ont révélé une relation étroite entre la rotation de la molécule et sa capacité à conduire l'électricité, ce qui pourrait avoir des implications pour la conception de futures machines moléculaires.