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Posté par Redbran le Jeudi 22/02/2018 à 00:00
Quand les électrons partent en vrille
Comme nos mains, certaines molécules ne sont pas superposables à leur image miroir. Identifier ces molécules droites ou gauches, qu'on dit "chirales", est une étape cruciale de nombreuses applications en chimie et en pharmaceutique. Une équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques....) internationale (INRS/MBI/CNRS/CEA/Université de Bordeaux) présente une nouvelle méthode très originale pour y parvenir. Les chercheurs font bouger les électrons des molécules dans une direction à l'aide d'impulsions laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) ultracourtes, ce qui révèle cette caractéristique moléculaire. Les résultats de ces expériences réalisées à Bordeaux au Centre lasers intenses et applications (CELIA, CNRS/Université de Bordeaux/CEA), sont publiés dans Nature Physics, le 19 février 2018.


Figure: Suite à une excitation par une impulsion laser ultra-brève polarisée circulairement, les électrons excités de la molécule décrivent un mouvement de spirale ((voir page de discussion)), dont le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) dépend de la chiralité (La chiralité (du grec ch[e]ir~ - main~) est une importante propriété d'asymétrie dans diverses branches de la science. Un objet ou un système est...), droite ou gauche, de la molécule. Crédit: INRS

Les gauchers le savent: de nombreux objets sont conçus pour être manipulés avec la main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe...) droite et ne conviennent pas à la main gauche. Pour les molécules, ce type de phénomène se produit également: certaines réactions biochimiques sont spécifiques à une seule des deux versions d'une molécule, appelée "énantiomère". En conséquence, certains médicaments doivent leur efficacité uniquement à un de leur énantiomère, l'autre pouvant même être toxique dans certains cas.

Au grand dam des chimistes, il est très difficile de reconnaître les énantiomères dont les différences intrinsèques sont aussi subtiles que celles existant entre une personne et son reflet (Un reflet est, en physique, l'image virtuelle formée par la réflexion spéculaire d'un objet sur une surface. La nature spéculaire de la réflexion est liée aux caractéristiques du corps...) dans le miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être...). On parvient à les distinguer uniquement lorsqu'elles interagissent avec un autre objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) chiral, comme un gant permet d'identifier si la main qui s'y glisse est droite ou gauche.

On connaît la chiralité moléculaire depuis les travaux de Pasteur, au 19e siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée...), sur des cristaux chiraux. L'exemple le plus célèbre est probablement l'ADN, dont la structure ressemble à un tire-bouchon tournant vers la droite. De nombreuses autres molécules présentes dans le monde (Le mot monde peut désigner :) vivant sont également chirales. Habituellement, on détermine la chiralité en utilisant de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) "circulaire" dont le champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ électrique E et le champ...) tourne dans le sens horaire ou antihoraire en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est...) des spirales gauches ou droites. Cette lumière chirale est absorbée différemment par les énantiomères d'une molécule. La différence est cependant très ténue, car la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) de la lumière dépasse largement la taille des molécules ; la spirale (En mathématiques, une spirale est une courbe qui commence en un point central puis s'en éloigne de plus en plus, en même temps qu'elle tourne autour.) de la lumière est trop grande pour que la molécule "perçoive" le sens de sa rotation efficacement.

Il en va autrement avec la nouvelle méthode présentée par l'équipe constituée de chercheurs du Centre lasers intenses et applications (CELIA, CNRS/Université de Bordeaux/CEA), en collaboration avec le Max Born Institute, le synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine...), le Laboratoire interactions, dynamiques et lasers (LIDYL, CNRS/CEA) et l'INRS. Cette dernière amplifie grandement le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la...) chiral. "Pour y arriver, des impulsions laser ultra-brèves et polarisées circulairement sont envoyées sur des molécules chirales" explique Samuel Beaulieu, doctorant (Un doctorant est un chercheur débutant s'engageant, sous la supervision d'un directeur de thèse, dans un projet de recherche sur une durée variable selon les pays et les statuts,...) en sciences de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) à l'INRS et premier auteur de l'article.

Les impulsions laser utilisées durent seulement quelques millionièmes de milliardièmes de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du...) et transfèrent leur énergie aux électrons des molécules. Les électrons ainsi excités décrivent un mouvement circulaire dans le sens de la lumière excitatrice, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en restant liés à la molécule. La molécule transforme alors ce mouvement circulaire en une spirale vers l'avant ou vers l'arrière, selon sa chiralité, comme un écrou sur un boulon. Ayant une taille similaire à celle de la molécule, la spirale électronique permet d'en sonder les propriétés géométriques telles que la chiralité.

À son tour, la spirale peut être détectée à l'aide d'une seconde impulsion laser suffisamment courte pour capter la direction dans laquelle l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) part en vrille. Selon qu'ils bougent suivant le sens horaire ou antihoraire, les électrons seront éjectés dans la direction de propagation du faisceau laser ou en sens opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont...).

Les chercheurs ont nommé cette nouvelle méthode le dichroïsme circulaire de photo-excitation. Elle permet d'initier et de suivre dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) les dynamiques ultrarapides dans les molécules chirales. En plus de son intérêt fondamental, cette technique à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux États souverains. Le rôle que joue une frontière peut fortement varier suivant les régions et les époques. Entre...) du domaine de la "physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) moléculaire aux temps ultra-courts" pourrait être extrêmement utile dans des domaines tels que la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.), la biochimie, la catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique dans le but de modifier sa vitesse de réaction. Le catalyseur, qui est en général en quantité beaucoup plus faible que les...) ou la pharmaceutique pour lesquelles la chiralité est un enjeu central.

Maintenant qu'ils ont appliqué leur méthode avec succès sur des molécules chirales complexes, les chercheurs se penchent sur le développement d'approches pour séparer les molécules gauches et droites en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse en mettant à profit leur découverte.

À propos de la publication

Les recherches de Samuel Beaulieu sont sous la direction de François Légaré, professeur à l'INRS, et de Yann Mairesse, chargé de recherche au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public...). Les résultats décrits sont publiés dans l'article intitulé "Photoexcitation Circular Dichroism in Chiral Molecules", paru dans la revue Nature Physics le 19 février 2018.

Samuel Beaulieu, A. Comby, D. Descamps, B. Fabre, G. A. Garcia, R. Géneaux, A. G. Harvey, François Légaré, Z. Ma?ín, L. Nahon, A. F. Ordonez, S. Petit, B. Pons, Yann Mairesse, Olga Smirnova et V. Blanchet ont participé à cette publication qui a bénéficié du soutien financier de l'Agence Nationale pour la Recherche (France), de l'Université de Bordeaux (Cette page est consacrée au PRES Université de Bordeaux. Pour les pages sur les universités, voir Université Bordeaux I, Université Bordeaux II,...), de la Fondation allemande pour la recherche, du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, de la Coopération européenne dans le domaine de la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) et technique et du Conseil européen de la recherche.

Les auteurs de cette publication sont affiliés à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) national de la recherche scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) (INRS), à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Bordeaux, au Centre national de la recherche scientifique (CNRS), au Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.) (CEA)(1), au Synchrotron Soleil et à l'Institut Max Born.

Note:
(1) Centre lasers intenses et applications (CELIA, CNRS/Université de Bordeaux/CEA) et Laboratoire interactions, dynamiques et lasers (LIDYL, CNRS/CEA)


Contact chercheure CNRS:
- Valérie Blanchet, Université de Bordeaux

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Source: CNRS-INP