Une étude menée par le Dr. Itai Carmeli, sous la direction du Prof. Shahar Richter, du Département de science et ingénierie des matériaux et du Centre de nanotechnologie de l'Université de Tel-Aviv, a abouti à la création d’un nouveau matériau qui constitue une sorte de « moteur naturel », capable de flotter sur l'eau et de transporter un poids pouvant atteindre 40 fois le sien. Les chercheurs espèrent que la nouvelle matière, composée d’un mélange de cristaux dits « chiraux » (qui ne sont pas superposables, quelle que soit la rotation qu’on leur fait subir) et de métaux, permettra le développement de nouveaux moteurs non polluants dans l'avenir.
La découverte a été réalisée en collaboration avec le Prof. Oswaldo Diagoz et le Prof. Tova Milo de l'Université de Tel-Aviv, le Prof. Hagai Cohen de l'Institut Weizmann, ainsi que d'autres chercheurs de l'Université Ben Gourion, de l’Université de Tel-Aviv, d'Australie et des États-Unis.
Une structure identique mais de symétrie opposée, comme celle de nos mains
Les chercheurs racontent qu'au XVIIe siècle, on a découvert un phénomène spectaculaire: si l'on prend des morceaux de camphre, substance extraite d'un arbre d’origine indienne, et qu'on les pose à la surface de l'eau, ils se mettent à « danser ». L’explication physique et chimique de ce phénomène est que le camphre est une substance partiellement soluble et volatile, ce qui permet à ses molécules de se propager à la surface de l'eau et de la faire bouger, créant une sorte de « moteur naturel ». L'effet qui explique ce phénomène est appelé « effet Marangoni », produit par le transfert de matière d'un endroit à un autre sous l’effet d’une variation de la tension à la surface d’un fluide (tension superficielle).
Dans la présente étude, les chercheurs de l’Université de Tel-Aviv ont découvert de nouveaux matériaux qui se comportent de manière similaire et qui, lorsqu’ils sont placés sur l’eau, se mettent à tourner, le sens de leur mouvement étant déterminé par la structure de la molécule qui les compose.
« Notre étude porte sur des matériaux dits chiraux, substances composées de molécules identiques mais de symétrie opposée, comme nos mains droite et gauche. Ces matériaux ont des propriétés particulières qui en font un objet de recherche très intéressant », explique le Prof. Richter. « Nous nous sommes orientés vers la création de matériaux hybrides, constitués de molécules chirales et de nanométaux, qui se déplacent à l'aide de la lumière. Et comme cela arrive souvent dans la recherche, à notre grande surprise, nous avons découvert un phénomène légèrement différent de ce que nous cherchions: l'un des centaines de matériaux que nous avons créés s’est mis à tourner tout seul à la surface de l'eau, et ce même dans l'obscurité ».
Le micronageur le plus rapide que le monde scientifique ait découvert à ce jour
Par la suite, les chercheurs ont compris qu’ils avaient créé un effet Marangoni spécial : « La structure des molécules chirales, combinée au fait que certaines d'entre elles sont solubles dans l'eau et d'autres volatiles, a abouti à la création d’un cristal instable, dont les molécules se libèrent et provoquent la rotation de la particule qu'elles ont quitté, et c'est ainsi que se créé le moteur », explique le Prof. Richter. « Au niveau moléculaire, ces interactions provoquent un changement local des propriétés de l'eau et plus précisément, de la tension superficielle, ce qui produit une variation inégale de concentrations à la surface de l'eau et, par conséquent, un mouvement des pores du matériau ».
« L'ensemble du processus a été réalisé en mélangeant des cristaux chiraux avec des métaux, de sorte que certains d'entre eux se déplacent dans le sens des aiguilles d'une montre et d'autres dans le sens opposé, en fonction de la chiralité des molécules qui les composent », ajoute le Dr. Carméli. « Nous avons découvert que le phénomène de chiralité créé des différences dans l'énergie de fusion du cristal, qui provoquent sa rotation dans une certaine direction. Après cette découverte, nous avons commencé à réfléchir en laboratoire à d’autres utilisations ou propriétés physiques qui pourraient être produits à partir de cet effet. Et lorsque nous avons ajouté dans l'eau une substance dite réductrice (qui cède un électron), nous avons constaté que la rotation de la particule s’accélèrait considérablement, à tel point que même avec une caméra à grande vitesse, il était difficile de quantifier le mouvement dans son intégralité ».
« Ensuite, nous avons également décidé d’essayer d’ajouter du poids aux molécules et de les laisser entraîner le cristal, et avons constaté que le mouvement des molécules continuait, même avec une charge de 40 fois leur poids, bien qu’elles ne pèsent elles-même que quelques milligrammes. Il s’agit du « micronageur artificiel » le plus rapide que le monde scientifique ait découvert à ce jour. Aujourd'hui, nous parvenons à prédire le mouvement des cristaux avec une précision d'environ 80 %, et nous pensons que cette découverte a le potentiel de créer de nouveaux moteurs non polluants dans l'avenir ».
Photo :
Le Prof. Shahar Richter
(Crédit : Université de Tel-Aviv)
