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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Dispositifs et muscles moléculaires : contractions et extensions simultanées contrôlées

 

L’intérêt croissant pour les dispositifs de type machines ou muscles moléculaires s’est souvent traduit par l’élaboration d’architectures (supra)moléculaires, généralement complexes, pouvant fonctionner comme de tels dispositifs. Des chercheurs de l’Institut de science et d’ingénierie supramoléculaires (CNRS / Université de Strasbourg) viennent de synthétiser de nouvelles molécules capables d’effectuer des mouvements couplés d’extension-contraction de manière réversible, comparables à des muscles moléculaires. Ces travaux sont parus dans le Journal of the American Chemical Society.

 

De nouvelles molécules à géométrie contrôlée, constituées d’hétérocycles connectés par des groupements hydrazones, viennent d’être synthétisées par l’équipe strasbourgeoise. Grâce à la disposition particulière de leurs sous-unités et notamment au positionnement de certains des atomes d’azote et à la répulsion des doublets libres de ces atomes, les ligands libres ont une partie hélicoïdale (comme un ressort, en vert sur les figures) et une partie linéaire (x et y, en vert et orange) (Figures 1 et 2). Ces deux parties ont un segment commun, noté par x sur les figures.

L’interaction de ces molécules avec une quantité déterminée de cations métalliques Pb(II) engendre l’enroulement de la partie linéaire de la molécule autour du cation (un peu comme l’enroulement d’un serpent autour d’un objet). Simultanément, en se liant également aux cations, la partie hélicoïdale (le ressort) se déplie. Se produisent ainsi, parallèlement, la contraction de la partie linéaire de la molécule et l’extension de sa partie hélicoïdale. Les amplitudes de chacun de ces mouvements couplés sont de l’ordre du nanomètre (allant de 0,9 à 3 nanomètres).

On peut ensuite piéger les cations Pb(II) en les faisant réagir avec une autre espèce chimique, le ligand connu sous le nom abrégé de « tren », qui encapsule les cations Pb(II). Les molécules hétérocycliques retrouvent alors leur forme initiale.

En diminuant le pH par l’ajout d’acide triflique en quantité déterminée, on produit la protonation de l’espèce « tren » qui ne peut alors plus se lier aux cations Pb(II). Ceux-ci peuvent alors interagir à nouveau avec les molécules hétérocycliques pour produire les mouvements couplés. L’ajout d’une quantité déterminée de base engendre la déprotonation du « tren » précédemment protoné et, par conséquent, l’encapsulation des cations Pb(II), d’où une nouvelle série de mouvements couplés ; la molécule hétérocyclique revient alors à sa conformation initiale.

Il est ainsi possible, par des ajouts successifs d’acide et de base, d’effectuer ces mouvements couplés d’extension-contraction de manière réversible.

Parmi les perspectives qu’ouvre ce travail, les chercheurs envisagent l’intégration de tels dispositifs dans des polymères dans le but d’obtenir des matériaux ayant des propriétés mécaniques nouvelles. Il peut s’agir, par exemple, de polymères contractiles ou extensibles en présence de cations métalliques et dont la contraction et l’extension réversibles pourront être modulées par les changements du pH.

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Figure 1. Structure de l’un des types de ligands et des complexes au plomb correspondants.

© Adrian-Mihail Stadler

 

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Figure 2. Représentation stylisée de l’un des types de mouvements couplés (en rouge : les cations Pb(II)).

© Adrian-Mihail Stadler

 

 

Référence

A.-M. Stadler, J.-M. Lehn

Coupled Nanomechanical Motions: Metal-Ion-Effected, pH-Modulated, Simultaneous Extension/Contraction Motions of Double-Domain Helical/Linear Molecular Strands 

J. Am. Chem. Soc. 18 février 2014, 136, 3400-3409.
DOI: 10.1021/ja408752m

 

Contacts chercheurs

Adrian-Mihail Stadler, Institut de Sciences et d’Ingénierie Supramoléculaires - Strasbourg et Institut für Nanotechnologie, Karlsruher Institut für Technologie
Courriel : mstadler@unistra.fr

 

Jean-Marie Lehn, Institut de Sciences et d’Ingénierie Supramoléculaires - Strasbourg
Courriel : lehn@unistra.fr

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

28 mars 2014

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