Par l’intermédiaire de canaux, des ions vitaux sont continuellement acheminés vers l’extérieur et vers l’intérieur à travers les membranes cellulaires de chaque être vivant et des plantes. Des chercheurs du Département de chimie de l’Université de Fribourg, dirigés par la Prof. Katharina Fromm, ont développé un matériau dans lequel les composants constituent, par auto-assemblage, des structures sous forme de canaux et permettent ainsi le transport des ions.

Au niveau moléculaire, l'empilement des composants pour le transport de ions n'est pas un jeu d'enfant. (Photo: Thinkstock)

Avez-vous déjà essayé d’entasser des anneaux ronds et plats; des frisbees par exemple ? La plupart du temps, la pile n’a pas encore atteint une hauteur de quelques centimètres qu’elle s’écroule ou commence à glisser. Pourtant, si l’on dispose d’un cadre carré à la dimension des frisbees (comme une caisse haute avec un trou en haut et en bas – voir l’image ci-dessous), on peut alors empiler à volonté de tels objets sans qu’ils dégringolent. Imaginons que, au même moment, un canal se forme au milieu des frisbees, à l’intérieur duquel on peut ranger d’autres éléments, comme des balles. Celles-ci peuvent transiter à travers ce tunnel, ou simplement bouger de haut en bas, lorsque l’on soulève la caisse remplie des disques de frisbees.

Au cours de ses recherches, le groupe de la Prof. Fromm est parvenu à reproduire une telle structure sur un plan moléculaire, grâce à l’auto-assemblage des composants concernés : des molécules, appelées poly-halogénures, en forme de baguettes et chargées négativement, font office de cadre dans lequel des unités neutres en forme d’anneaux (ici des éthers couronnes) s’empilent. Ceci serait tout bonnement impossible sans cette armature. Dans les canaux ainsi formés, des cations (ions chargés positivement), par exemple des ions de sodium ou de potassium, peuvent être déversés. Les structures, sous forme de canaux parallèles, ainsi obtenues peuvent former des monocristaux macroscopiques (voir image ci-dessous). Tout comme les balles à travers les disques de frisbees, les cations peuvent se déplacer dans les conduits constitués par ces monocristaux. On peut donc conclure que ces derniers sont de bons conducteurs d’ions.

De telles liaisons conductrices d’ions jouent, par exemple, un rôle important dans le fonctionnement des batteries aux ions lithium, dans lesquelles les ions de lithium doivent être transportés; un processus qui a lieu quotidiennement dans tous les natels, ordinateurs portables ou iPads. Un mécanisme analogue se produit dans nos cellules, à l’intérieur desquelles les ions pénètrent et ressortent; une opération vitale pour maintenir notre équilibre électrolytique. Les matériaux monocristallins, comme décrits dans la publication, pourraient également trouver leur utilité dans la microanalyse, lorsqu’il s’agit de mesurer de très petites quantités d’ions dans d’infimes quantités de liquide.

Lien vers la publication:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201208195/pdf

Contact:
Prof. Katharina M. Fromm, Département de chimie, Fribourg Center of Nano-Materials FriMat, Université de Fribourg, 026 300 87 32, katharina.fromm@unifr.ch, http://www.chem.unifr.ch/kf/index.html