Evoquant le Prix Nobel de chimie 2016, Stefan Matile, de l’Université de Genève, rappelle que «la chimie, c’est une discipline où il faut être créatif». C’est bien ce caractère qu’a voulu souligner le jury suédois des Nobel en récompensant le Français Jean-Pierre Sauvage, le Britannique Fraser Stoddart et le Néerlandais Ben Ferringa, dont les travaux font l’unanimité dans le Landerneau des chimistes.

Tous trois ont élaboré de nouvelles structures chimiques servant à la fabrication des machines moléculaires, de minuscules outils simplement constitués de quelques atomes et dont la taille flirte avec les nanomètres, soit à peine quelques milliardièmes de mètre.

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Des machines moléculaires: l’intitulé a beau évoquer des applications concrètes, c’est bien de science purement fondamentale dont il s’agit. Un retour aux sources pour le Nobel de chimie, qui a dernièrement mis en lumière des travaux surtout appliqués à la biologie ou à l’industrie. Il faut ainsi remonter à 2011, avec la découverte des quasi-cristaux, pour trouver un Nobel purement fondamental.

Jean-Pierre Sauvage est sans doute le plus pionnier des trois lauréats. En 1983, ce chercheur de l’Université de Strasbourg, qui étudie des systèmes photochimiques (c’est-à-dire sensibles à la lumière), fait une découverte fortuite: il a devant les yeux une molécule en forme de chaîne, constituée de cycles moléculaires comme autant de maillons entrelacés. La première molécule de la famille des «caténanes» venait d’être identifiée.

Tringle à rideaux

Intrigué, il cherche à maîtriser sa synthèse et s’y consacre entièrement, fabriquant des caténanes de plus en plus complexes. En 1994, le chimiste parvient à mettre au point une caténane dans laquelle un anneau est fixe, tandis que l’autre se déplace autour de manière contrôlée, en présence d’énergie. Il a ainsi conçu le tout premier embryon de machine moléculaire. «Il a non seulement découvert une nouvelle classe de molécules, mais aussi un nouveau type de liaison chimique, la liaison mécanique», raconte Stefan Matile.

Afin de se représenter cette liaison, le chimiste fait appel à l’image des anneaux olympiques. Entrelacés sans contact physique, il faut les casser si l’on veut les séparer. Les caténanes sont en fait des chaînes d’anneaux olympiques, ou des «anneaux comme ceux que les magiciens séparent dans leurs tours de magie», ajoute le chimiste.

L’Ecossais Fraser Stoddart a lui aussi conçu des embryons de nanomachine. En 1991, ce dernier met au point à l’Université Northwestern dans l’Illinois une structure nommée «rotaxane», dans laquelle un anneau – encore un – se déplace le long d’un bâton. Pour visualiser la structure, il faut se représenter un anneau que l’on déplace le long d’une tringle à rideau: il peut aller d’un bout à l’autre de la tringle, mais pas s’en éloigner à moins de tout casser. En donnant un peu de chaleur à l’anneau, ce dernier, qui possède un déficit en électrons, va se rapprocher de l’une des extrémités du bâton, riches, elles, en électrons. Encore aléatoires, les mouvements de l’anneau finissent par être entièrement contrôlés en 1994: un pas de plus vers les machines moléculaires.

Fraser Stoddart et son équipe ont par la suite mis au point divers appareils basés sur les rotaxanes, tels qu’un minuscule ascenseur capable de s’élever de 0,7 nanomètre, ou des fibres musculaires artificielles. Et même une puce informatique! «Ces molécules, qui peuvent se trouver dans un, deux, voire trois états différents, sont de bonnes candidates pour créer des composants électroniques moléculaires, confirme Jérôme Waser, du Laboratoire de catalyse et synthèse organique de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. Mais cela va demander encore beaucoup de temps!»

Moteur moléculaire

Quant au troisième lauréat, Ben Feringa, de l’Université de Groningen, il a lui aussi suivi la même voie en développant le premier véritable moteur moléculaire en 1999. Grossièrement décrit, il s’agit d’une pièce tournant autour d’un axe. Elle est constituée de deux sortes de pales d’hélices soudées par une liaison entre deux atomes de carbone et soumises à une rotation sous l’effet de rayonnements ultraviolets. Le génie du chercheur, aussi brillant en chimie de synthèse qu’en nanochimie, a été d’imaginer toute une série d’astuces pour que le moteur ne tourne que dans un sens, et non aléatoirement comme c’est en principe le cas avec les molécules. Son groupe de recherche a fini par mettre au point une voiture moléculaire en 2011.

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A quoi servent ces découvertes pionnières? «A rien, et c’est très bien qu’ils soient récompensés par un Nobel, affirme non sans malice Stefan Matile. Ces chimistes sont des artistes. Leurs travaux auront peut-être des applications dans dix, vingt ou trente ans, qui sait? En les distinguant, le jury envoie un signal très positif pour la science fondamentale, qui a tendance à être mise de côté par les instances scientifiques.»

«C’est une science qui est encore à ses débuts, la recherche fondamentale sur les molécules aboutit sur des applications bien après les premiers travaux», abonde Jérôme Waser. «C’est un choix excellent, ils ont récompensé trois géants», se félicite Stefan Matile. Trois géants artistes de l’infiniment petit.


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