La version originale de cet article a été publiée le 9 novembre 2012 lors du colloque Wright pour la science.
Une conférence avait été consacrée à ces «nanomachines», ces créations de chimistes capables de concevoir des moteurs, des pistons et autres pinces à l’échelle nanométrique.
Nous republions cet article à l'occasion de la remise du prix Nobel de chimie 2016  ce 5 octobre à Jean-Pierre Sauvage, qui avait participé à cette conférence, ainsi qu'à J. Fraser Stoddart et  Bernard L. Feringa.


 

Un moteur pourvu d’un rotor qui tourne sur lui-même à grande vitesse, un piston constitué d’un anneau qui coulisse autour d’un axe, une pince, un élévateur… Ces outils, qui semblent tout droit sortis d’un garage, ont été assemblés récemment dans des laboratoires de haute technologie. Tous sont, en effet, de très petite taille: à peine quelques nanomètres, soit quelques milliardièmes de mètres! Ces nanomachines, qui rassemblent chacune quelques centaines ou milliers d’atomes soigneusement agencés, feront l’objet d’une conférence jeudi prochain à l’Université de Genève (Unige), dans le cadre du colloque Wright.

Pour cette quinzième édition du colloque organisé par la Fondation H. Dudley Wright, dont l’objectif est de rendre accessible au grand public les progrès scientifiques les plus récents, c’est le thème de l’architecture moléculaire qui a été retenu par les organisateurs, cent ans après que les premières expériences menées avec des rayons X ont commencé à révéler la manière dont les atomes s’arrangent dans l’espace pour former la matière. «Grâce aux progrès techniques récents, les scientifiques sont désormais capables d’identifier la structure à l’échelle atomique de grosses molécules, mais aussi d’assembler les atomes en laboratoire, donnant lieu à de nouveaux types d’applications», explique Alan Williams, chimiste à l’Unige et directeur scientifique du colloque Wright 2012. Cinq chercheurs renommés (dont deux ont déjà reçu le Prix Nobel de chimie) viendront s’exprimer sur ce thème au cours de la semaine prochaine (lire ci-dessous).

Parmi eux figurera David Leigh, de l’Université de Manchester, un des plus grands spécialistes mondiaux des nanomachines. Récemment, ce chimiste a conçu avec ses collaborateurs une molécule capable de «marcher» le long d’un tracé défini. Mais aussi un nanorobot qui peut assembler lui-même plusieurs molécules! «Pour l’instant, notre robot ne sait combiner que 3 blocs de construction», précise le scientifique, qui compare son travail à un jeu de Lego. «Il s’agit néanmoins d’une étape prometteuse, car nous voudrions qu’à l’avenir, nos nanomachines puissent s’auto-assembler.» Quels points communs entre une molécule qui marche et un robot assembleur nanométrique? «Il est difficile de donner une définition exacte de ce qu’est une nanomachine», précise Jean-Pierre Sauvage, de l’Université de Strasbourg, un des pionniers du domaine. «Mais elles partagent tout de même plusieurs caractéristiques: toutes produisent un mouvement sous l’effet d’un signal, et ont une fonction éventuellement utilisable dans le monde macroscopique.»

Ces nanomachines, également appelées machines moléculaires, ont vu le jour conceptuellement il y a une cinquantaine d’années, lorsqu’elles ont été décrites pour la première fois par le physicien américain visionnaire Richard Feynman. Elles ne se sont, cependant, concrétisées en laboratoire que depuis une quinzaine d’années, d’abord avec la mise au point de composants relativement simples, tels que les rotaxanes. Ces molécules synthétiques, constituées d’un anneau qui coulisse le long d’un axe, sont désormais utilisées dans de nombreuses machines. «Un rotaxane peut notamment servir d’interrupteur, si on bloque la ­position de l’anneau d’un côté ou de l’autre de la tige, sous l’effet d’une différence de potentiel électrique», illustre Jean-Pierre Sauvage.

En quelques années à peine, une profusion d’outils de taille «nano» est apparue: des moteurs, pinces, presses, transporteurs, etc. Mais leur maniement et leur combinaison demeurent délicats. Les chercheurs doivent, en effet, composer avec les lois physiques qui ont cours à l’échelle des atomes, différentes de celles dont nous faisons chaque jour l’expérience. «Par exemple, dans le monde qui nous entoure, un objet ne bouge pas si on ne lui apporte pas de l’énergie; à l’échelle nanométrique, tout bouge au contraire en permanence! Il faut donc apporter de l’énergie si on souhaite stabiliser un élément», rapporte David Leigh. Afin d’obtenir les propriétés qu’ils recherchent, les chimistes s’inspirent du vivant: «la nature est pleine de nanomachines très perfectionnées, telles que le ribosome, la molécule qui fabrique des protéines à partir de notre code gé­nétique. Nous essayons donc de ­reproduire certaines fonctions biologiques, de manière simplifiée», relate le scientifique britannique.

Où cet enthousiasme des chimistes pour les nanomachines mènera-t-il? Personne ne le sait encore vraiment. «C’est un domaine jeune, dans lequel peu de projets de recherche appliquée ont abouti», reconnaît Jean-Pierre Sauvage. Parmi les débouchés qui pourraient voir le jour le plus rapidement figurent des matériaux qui changeraient de propriétés sous l’effet d’un stimulus, ou de nouveaux vecteurs de médicaments. A plus long terme, les concepteurs de nanomachines espèrent ouvrir la voie à une toute nouvelle forme d’ingénierie, invisible à l’œil nu.

 

Les lois physiques qui ont cours à l’échelle atomique sont différentes de celles du monde macroscopique