Integrated motions of light driven molecular motors at macroscopic scale

par Quan Li

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Nicolas Giuseppone.

Soutenue le 03-02-2015

à Strasbourg , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques (Strasbourg) , en partenariat avec Institut Charles Sadron (Strasbourg) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Pierre Sauvage.

Les rapporteurs étaient Ludovic Jullien, Patrice Woisel.

  • Titre traduit

    Mouvements macroscopiques intégrés de moteurs moléculaires activés par la lumière


  • Résumé

    Dans la nature, des moteurs moléculaires tells que l'ATP synthase ou la kinésine peuvent consommer de l'énergie pour générer du mouvement et ainsi assurer des fonctions essentielles comme le transport ou la synthèse de molécules. La préparation de moteurs artificiels capables de fournir un travail à différentes échelles est un défi important pour les chimistes. Dans ce travail, nous avons conçu et synthétisé de manière stéréosélective un moteur moléculaire unidirectionnel et hautement fonctionnalisé à l'échelle du gramme. La fonctionnalisation orthogonale du moteur permet de l'intégrer dans des matériaux polymères. Grâce à une réaction de "click" réalisée sous différentes conditions de dilution, nous avons pu obtenir soit une macromolécule bicyclique en forme de 8 soit un gel de polymers dont les moteurs constituent les points de réticulation. Sous irradiation UV, les moteurs tournent ce qui enroule les chaines de polymers. Pour le bicycle, la taille caractéristique de la macromolécule diminue tandis que la morphologie évolue vers une pelote étirée. Dans le cas du gel, suite à la rotation des moteurs, l'enroulement des chaines conduit à une contraction du gel de l'ordre de 80% en volume. C'est le premier exemple d'intégration de mouvements moléculaires hors équilibre résultant en une réponse observable à l'échelle macroscopique. Ce travail ouvre des perspectives intéressantes dans le domaine des nanotechnologies ainsi que dans celui de l'énergie.


  • Résumé

    Natural molecular motors such as ATP synthase, myosin, kinesin and dynein can convert conformationalchanges, due to chemical energy input, into directed motion for catalysis and transport. Preparing artificial molecular motors and making them work at different scales (from nano to macroscopic scale) have been long-term challenges. Herein we designed and synthesized a light driven rotary molecular motor in highly enantiopure form and in gram scale. This motor is featured by two orthogonal functionalities on its upper and lower part, allowing its further integration into polymeric materials. By performing click reaction under different concentration conditions, either an eight shaped motor-polymer conjugate or a gel containing motors as reticulation units could be obtained. Upon UV irradiation, the polymer chains could be entangled due to the rotation of this motor. For eight shaped polymer, the dimension was changed towards smaller dimension, and the morphology was changed from cycle to collapsed coils (spherical or more elongated). For the gel, due to the twisting of polymer chains induced by the rotation of the motor, it could be contracted significantly (80 %) compared with its original volume. The integration of machines which display motions out of equilibrium at nanoscale to movement in the macroscopic world which is extensively used in natural systems will open very interesting prospects in nanotechnology for further developments.


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