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A la découverte des labos

Moteurs moléculaires : sur les traces de Jean-Pierre Sauvage

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Jean-Pierre Sauvage, prix Nobel de Chimie 2016, fut le directeur de thèse de Gwénaël Rapenne. Désormais professeur à l’Université Toulouse III - Paul Sabatier, celui-ci organise au printemps prochain à Toulouse une course internationale de molécules-voitures. L’occasion de faire tourner les moteurs imaginés par son maître ! Interview.

© G. Rapenne CEMES, CNRS/UPS

© G. Rapenne CEMES, CNRS/UPS

Vous avez fait vos premiers pas de chercheur à Strasbourg, sous la direction de Jean-Pierre Sauvage. Quels sont vos souvenirs de cette période ?

Ça a été un grand plaisir de travailler sous sa direction. J’avais découvert ses recherches un peu par hasard pendant mon année de licence et cette expérience a décidé de mon orientation professionnelle. J’ai tout fait pour pouvoir effectuer ma thèse de doctorat à ses côtés. C’était quelqu’un de très humain et pédagogue au quotidien, attentif à chaque membre de l’équipe, une personne passionnée et passionnante.

Nous travaillions alors sur un sujet considéré comme tout à fait exotique, auquel ne s’intéressaient que deux autres équipes dans le monde : ce que l’on appelle les molécules entrelacées ou les nœuds moléculaires, que l’on cherchait alors à synthétiser dans des solvants. En 1994,  Jean-Pierre Sauvage a réussi à assembler une molécule entrelacée autour d'un métal qu’il a pu mettre en rotation, de manière contrôlée, en lui apportant ou retirant des électrons. En  2000, il a créé le premier muscle moléculaire. Ce sont ces avancées qui lui ont valu le Nobel.

Ce domaine de recherche a beaucoup bénéficié des progrès de la microscopie. IBM a conçu un microscope à effet tunnel (STM) qui a permis à la fin des années 90 de voir les molécules une à une, donc de pouvoir les assembler et les mettre en mouvement. Cela a libéré l’imagination des chimistes.

J’ai échangé avec Jean-Pierre Sauvage après qu’il a reçu ce prix. Sa réaction montre sa grande humilité : il a d’abord pensé qu’il s’agissait d’un canular ! Pourtant, pour peu que ce domaine des machines moléculaires ait attiré l’attention des jurés du Nobel, il ne faisait aucun doute pour la communauté des chercheurs spécialisés que les trois récipiendaires du prix en étaient les pionniers.

Pouvez-vous nous en dire plus sur ces « muscles moléculaires » développés par Jean-Pierre Sauvage ?

Jean-Pierre Sauvage a conçu une molécule capable de s’allonger et de se contracter successivement comme un muscle sous l’effet de stimuli extérieurs. Dans son cas, il s’agissait d’électrons, mais depuis, d’autres équipes ont utilisé la lumière ou l’acidité du milieu pour provoquer ces mouvements.

Grâce à des travaux ultérieurs, on est parvenu ensuite à fabriquer des fils, constitués de millions de ces molécules polymérisées, qui se contractent et s’allongent à volonté.

A quoi vont-ils servir ? Ils pourraient être utilisés pour la conception de prothèses ou de robots. Mais il est extrêmement difficile d’imaginer toutes les applications possibles d’une découverte scientifique. Vous rendez-vous compte que les cristaux liquides ont été découverts en 1888, mais que les premières applications datent de 1968, soit quatre-vingts ans plus tard ?

Vous-même, vous êtes devenu professeur de chimie à l’Université Toulouse III - Paul Sabatier et chercheur au Centre d’Elaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (CEMES-CNRS). Quelles sont vos thématiques de recherche actuelles ?

Seule une petite poignée d’anciens élèves de Jean-Pierre Sauvage ont poursuivi comme moi dans ce domaine qui reste encore relativement confidentiel à l’échelle mondiale. Nous sommes une grosse centaine à travailler sur le sujet et à nous retrouver lors de colloques spécialisés dont j’apprécie l’ambiance amicale, presque familiale. Pour ma part, j’ai eu la chance de pouvoir rejoindre à Toulouse une équipe du CEMES très en pointe, qui a accueilli mes projets.

En 2013, j’ai réussi dans ce cadre à mettre au point le premier moteur moléculaire capable de tourner dans les deux sens. Ce type de moteur pourrait entraîner d’autres molécules, des engrenages par exemple, ou être utilisé comme composant de nos téléphones portables, avec une consommation d’énergie beaucoup plus faible qui permettrait d’augmenter considérablement leur autonomie.

Je travaille également à la conception de « nano-voitures ». Ces molécules de quelques nanomètres (1 million de fois plus petit que le millimètre) sont composées d’une partie plane et de roues attachées et capables de tourner. Entre 2008 et 2012, nous avons produit au CEMES toute une famille de ces voitures moléculaires.

L’enjeu est aujourd’hui de les faire évoluer de manière contrôlée sur une surface plane en les « ravitaillant » grâce à de petites impulsions électriques. Ce n’est possible encore une fois que grâce aux progrès de la microscopie. Un STM à quatre pointes, unique au monde et implanté à Toulouse, scanne la surface plane, ligne par ligne, repère les véhicules moléculaires et fournit à quatre d’entre eux en même temps l’énergie qui leur est nécessaire.

Pour mobiliser autour de ces recherches, nous organisons au printemps prochain une compétition de ces nano-voitures produites par des équipes de recherche japonaise, américaine, suisse, allemande, autrichienne qui feront le voyage à Toulouse pour l’occasion.


  • Pour aller plus loin
Le site internet du CEMES-CNRS
La page internet de Gwénaël Rapenne
Le site Nanocar Race

Dates
le 20 octobre 2016

Date de mise à jour 17 juillet 2017


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