Des chercheurs d'Israël, du Danemark et d'Allemagne décrivent un moteur à une seule molécule qui tourne sous l'effet du courant et inverse son sens avec la tension, sa rotation augmentant la conductivité jusqu'à deux ordres de grandeur.

Une collaboration de chercheurs a présenté un moteur moléculaire qui tourne lorsqu'un courant électrique le traverse et qui inverse son sens de rotation quand la polarité de la tension est changée. Sa conception s'inspire de la vis d'Archimède, l'ancien dispositif en spirale servant à remonter l'eau : les électrons qui traversent une molécule en forme de spirale lui transmettraient du moment cinétique et la feraient tourner. Longue de quelques millionièmes de millimètre seulement, la molécule a été créée par le groupe du professeur Michael Pittelkow à l'université de Copenhague et se fixe à l'or par des atomes de soufre. À l'Institut Weizmann des sciences, en Israël, une équipe dirigée par le professeur Oren Tal et le docteur Anil Kumar Singh a placé des molécules individuelles entre deux pointes d'or affûtées à l'échelle atomique et montré que la rotation devenait continue dès que la tension dépassait un seuil. Des moteurs moléculaires alimentés par l'électricité existent depuis 2011, mais ils fonctionnaient sur des surfaces et dépendaient de la pointe d'un microscope à effet tunnel ; ce nouveau travail est présenté comme le premier à démontrer un moteur piloté par le courant, solidement relié à deux électrodes et dont le sens de rotation est contrôlable.

Les expériences ont aussi révélé un effet inattendu : la molécule en rotation conduisait bien mieux le courant qu'une molécule immobile. Pour l'expliquer, une équipe dirigée par le professeur Fabian Pauly à l'université d'Augsbourg a réalisé des simulations quantiques sur un superordinateur et constaté que la conductivité dépend fortement de l'angle de la molécule, augmentant jusqu'à deux ordres de grandeur, soit environ 100 fois, pendant la rotation. Selon les chercheurs, certaines des orientations qui conduisent le mieux l'électricité sont précisément celles que la molécule évite naturellement au repos, et seule la rotation les rend accessibles. Les théoriciens Per Hedegård, de l'Institut Niels Bohr, et Jing-Tao Lü, de l'Université des sciences et technologies de Huazhong, ont ensuite construit un modèle simplifié reproduisant à la fois la rotation et la hausse du courant observées. Selon les chercheurs, ce travail montre qu'un courant électrique peut engendrer une rotation dirigée et que cette rotation, à son tour, commande le courant.

L'équipe estime que ce résultat pourrait à terme alimenter des composants d'électronique moléculaire, la spintronique, qui exploite des propriétés de l'électron autres que sa charge, et des systèmes de microfluidique manipulant des volumes extrêmement petits de liquide, et affirme qu'il offre aux scientifiques une nouvelle manière d'étudier les processus physiques à l'échelle atomique. Ce sont des perspectives, non des produits : la démonstration porte sur des molécules isolées maintenues entre des électrodes de laboratoire, et aucune application en dispositif n'a été montrée. Ce compte rendu repose sur un communiqué de presse universitaire repris par ScienceDaily, dont le texte que nous avons lu ne nomme pas la revue ; nous n'avons pas vérifié les résultats de façon indépendante ni consulté l'étude sous-jacente, et les détails doivent donc être pris avec prudence. La recherche a bénéficié de financements, notamment de la Fondation allemande pour la recherche, du Conseil européen de la recherche et de l'Israel Science Foundation.