Une étude, dont les résultats intitulés « Light-Driven Molecular Whirligig » ont été publiés dans la revue Journal of the American Chemical Society (JACS), a permis de présenter un tout nouveau moteur moléculaire synthétique qui s’apparente à une toupie à corde.

Relevons tout d'abord que l'objectif de la mécanique moléculaire est de créer des machines et des moteurs à l’échelle de la molécule unique (une démarche mise sous le feu des projecteurs en 2016 lors de la co-attribution du prix Nobel de Chimie à Jean-Pierre Sauvage). Dans le domaine du vivant, un des exemples les plus caractéristiques de cette mécanique est l’ATP synthase : une gigantesque enzyme rotative (avec une masse de 600 000 Da) qui produit de manière très efficace la molécule d’ATP, source d’énergie dont tous les organismes vivants ont besoin pour vivre.

Pour les chercheurs, il s'agit de mimer cette mécanique très complexe à l’aide de petites molécules de synthèse. En l'occurrence, les chercheurs ont démontré qu'en bouclant deux chaînes d'oligomères sur un moteur rotatif activable par la lumière à l’échelle de seulement 1 nm (avec une masse de 1500 Da), ce moteur pouvait enrouler les chaînes polymères et que « l’énergie mécanique emmagasinée dans ces torsades permettait au moteur de tourner ensuite en sens inverse en effectuant une transformation chimique de haute énergie pour revenir à son état initial, créant ainsi des cycles d’enroulement et de déroulement ».

Le principe de fonctionnement de ce moteur moléculaire « s’apparente à celui macroscopique de la célèbre toupie à corde utilisée par les enfants », car la particularité du nouveau système mis en œuvre est «  sa capacité à enchaîner des cycles permettant d’emmagasiner de l’énergie mécanique pour la restituer de manière réversible sous forme d’une transformation chimique ».

L’originalité de ce travail réside dans la « réversibilité de ces moteurs rotatifs synthétiques encore jamais observée », puisque « en ajustant correctement la taille des liens, la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre du moteur sous la lumière UV crée des torsions entre les chaînes polymères allant jusqu’à tendre l’ensemble », de sorte que « dans cette conformation tendue, l'énergie stockée dans l'objet moléculaire est suffisante pour déclencher une transformation chimique qui permet également la rotation inverse du moteur vers son état complètement détendu. Ainsi, des cycles 'enroulement - déroulement' sont rendus possibles et « le travail produit peut s’accumuler de manière continue tant que le système est éclairé ».

Cette étude a, en outre, permis de résoudre une énigme, car « depuis très longtemps dans le domaine des machines moléculaires on cherchait à mesurer les valeurs clefs du travail mécanique fourni par un seul moteur moléculaire ». Or, « en mesurant précisément les vitesses sur l’enroulement et le déroulement de ce moteur moléculaire, cette étude « a pu précisément déterminer pour la première fois le travail, le moment, et la force produits par ce moteur », qui s’approchent des valeurs connues pour l’ATP synthase.

Au bout du compte, ce système simple et innovant indique comment il est possible d’utiliser ces moteurs pour stocker une grande quantité d’énergie mécanique (par exemple à partir d’une source de lumière), « pour ensuite la restituer de manière utile (par exemple pour permettre une transformation chimique de haute énergie) ».