Göran Hansson, secrétaire général de l’Académie royale des sciences de Suède, a su mettre l’eau à la bouche de l’assemblée avant d’annoncer, ce matin, le lauréat du prix Nobel de chimie 2016 : on allait parler «des plus petites machines du monde». Le prix a en effet récompensé trois chercheurs de nationalités différentes pour leurs travaux sur la «conception et synthèse de machines moléculaires». Des roues, des muscles, des moteurs et même des «ascenseurs» à l’échelle du nanomètre : l’exploit technique est plein de promesses, et l’on commence à peine à imaginer toutes les applications possibles.

Les heureux vainqueurs sont donc Jean-Pierre Sauvage, chimiste français enseignant à l’université de Strasbourg, James Fraser Stoddart, chercheur écossais désormais installé aux Etats-Unis, et Bernard Feringa, chimiste néerlandais.

A l’échelle du nanomètre

Pour expliquer leurs découvertes, la chimiste suédoise Sara Snogerup Linse a fait un clin d’œil à la cérémonie d’hier, qui avait beaucoup amusé les internautes en tenant d’expliquer la topologie avec un bagel, un bretzel et un kanelbulle (brioche à la cannelle venant d’Europe du Nord). Elle a sorti un bretzel revisité (comme on dit aujourd’hui) au goût des sciences avec deux boucles non pas collées, mais solidaires. C’est le principe de base d’une machine ! Et on sait désormais programmer ce genre de mécanisme à l’échelle du nanomètre (0,000 001 millimètre). Pour se faire une idée, 2 nanomètres correspondent à peu près au diamètre de l’ADN.

La cuisine au service de la science : voici une chaîne de bretzel, assez semblable à la première nanomachine de Jean-Pierre Sauvage.

Première étape : des imbrications moléculaires (joli, classe mais inutile)

Jean-Pierre Sauvage a posé les premières pierres en 1983, explique l’Académie suédoise des sciences. Il a imbriqué deux molécules circulaires pour former une chaîne, qu’on appelle caténane. Ce n’est pas une structure naturelle, car les molécules préfèrent d’habitude se coller entre elles, et il faut forcer sa création en laboratoire en les attirant l’une vers l’autre avant de fermer le deuxième maillon. Les deux cercles peuvent ensuite bouger l’un par rapport à l’autre.

Avec sa méthode de l’ion de cuivre, Sauvage a réussi à atteindre un taux de succès de 42 % dans la synthèse de ses chaînes de molécules. Pas mal… et la mode était lancée. Il a ensuite réussi à créer un nœud de trèfle moléculaire, tandis que James Fraser Stoddart a fait des anneaux borroméens, et tous deux se sont alliés pour concevoir un nœud de Salomon. Tout ceci est très joli (Fraser Stoddart s’imaginait même devenir «artiste moléculaire»), très classe mais très inutile dans l’histoire des machines, rappelle l’Académie des sciences.

Deuxième étape : nano-ascenseurs, nano-muscles, nano-voitures…

La véritable deuxième étape de l’histoire des nanomachines est arrivée en 1991, quand Fraser Stoddart a fabriqué un rotaxane, un petit mécanisme composé d’une roue pouvant se déplacer le long d’un axe. C’est la base d’un long travail qui lui permet aujourd’hui de fabriquer des nano-ascenseurs fonctionnels, avec une molécule qui monte et qui descend d’un «étage» à l’autre sur commande.

En 1994, Jean-Pierre Sauvage utilisait l’électrochimie pour maîtriser la rotation des molécules de son caténane. La même année, Fraser Stoddart maîtrisait lui aussi le mouvement de son rotaxane : il avait remarqué que le cercle se mettait à faire l’aller-retour sur son axe comme une petite navette quand la température montait. Il ne restait plus qu’à apprendre à contrôler ce mouvement.

Dans une autre catégorie de mouvements, Jean-Pierre Sauvage a aussi imité à l’échelle du nanomètre l’extension et la contraction des muscles. En 2000, son groupe de recherche a imbriqué deux molécules à boucles (on dirait un nœud marin…) pour former une structure élastique.

Quant à Bernard Feringa, il est «la première personne à avoir développé un moteur moléculaire» en 1999 : il a conçu un rotor – un axe – moléculaire capable de tourner continuellement dans la même direction… Alors que le comportement naturel des molécules est normalement gouverné par le hasard.

In 1999, Ben Feringa builds the first molecular motors #NobelPrize pic.twitter.com/kqRSUQuFKr — The Nobel Prize (@NobelPrize) 5 octobre 2016

Comme tout bon moteur, il a appris à tourner très vite (12 000 tours par seconde), à inverser son sens de rotation, et est devenu un outil capable de faire bouger plus gros que lui. En l’occurrence, Feringa a fait tourner un cylindre de verre 10 000 fois plus gros que le nano-moteur… et a même fini par concevoir une nano-voiture.

En cette fin d'année 2016 justement, la première course internationale de voitures moléculaires va être organisée à Toulouse. Les bolides seront suivis avec un microscope à effet tunnel.

Troisième étape : des nano-médecins ?

Les nano-machines auront bien sûr des tonnes d’applications en médecine, expliquait ce matin Feringa, joint par téléphone lors de la cérémonie du Nobel : «Imaginez des minuscules robots que les médecins du futur pourront injecter dans nos veines, et qui partiront à la recherche d’une cellule cancéreuse»… Les moteurs moléculaires en sont «au même stade que les moteurs électriques dans les années 1830, estime l’Académie des sciences. Les scientifiques bricolaient des manivelles et des roues, sans s’imaginer que ça nous mènerait aux trains électriques, aux machines à laver, aux ventilateurs et aux robots de cuisine.»