Un composé simple aux propriétés antigel inattendues
Publié par Michel le 23/10/2011 à 00:00
Source: CNRS
Un composé chimique utilisé pour stabiliser des particules en suspension s'avère capable de contrôler la croissance de cristaux de glace. C'est ce que viennent de mettre en évidence des chercheurs du CNRS et de Saint-Gobain, en collaboration avec une équipe rattachée au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français...), à l'INSA Lyon et 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...) Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un médecin et...) Lyon 1. Etonnamment, il s'agit d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) simple, totalement différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans...) des macromolécules connues jusqu'à présent pour leurs propriétés antigel. Son faible coût de fabrication, sa stabilité et son utilisation aisée sont autant d'atouts qui laissent présager des applications industrielles. Publiés en ligne dans la revue PLoS ONE, ces travaux apportent également de nouvelles pistes pour élaborer des équivalents synthétiques aux protéines antigel, différents de ceux conçus aujourd'hui.


Sur cette image, le matériau a été élaboré sans ajouter l'acétate de zirconium: sa structure ne comporte pas de motifs réguliers.
© Sylvain Deville

Les conséquences liées à la formation de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) peuvent être multiples et bien souvent dommageables. Dégradation des cellules dans les organismes, détérioration des sols ou des routes dans les régions froides, croissance de cristaux dans les crèmes glacées... sont autant d'exemples où il est souhaitable de contrôler la croissance des cristaux de glace. De nombreux organismes et espèces vivant dans des régions froides se sont adaptés pour contrôler cette croissance: leur résistance aux basses températures est basée sur la présence de protéines antigel qui sont toutes constituées de très longues chaînes organiques, présentant des groupements amphiphiles, c'est-à-dire ayant une partie hydrophile et une autre hydrophobe (Un composé est dit hydrophobe (du grec υδρο, hydro = eau, et Φοβοσ, phóbos = peur) ou lipophile quand il est soluble dans les corps gras, mais insoluble dans...). Comment ces protéines interagissent-elles avec les cristaux de glace ? Cette question reste mal connue par les scientifiques qui tentent d'identifier le mécanisme de reconnaissance de tels cristaux par les protéines antigel. Par ailleurs, ces protéines étant extrêmement couteuses à extraire, les chercheurs imaginent des équivalents synthétiques, s'inspirant des structures naturelles. Toutes les protéines connues jusqu'à présent pour leur activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) "antigel" sont des macromolécules (protéines, glycoprotéines, polysaccharides, etc).

En étudiant la synthèse de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) poreux, une équipe menée par Sylvain Deville (1), chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) CNRS au Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint-Gobain), en collaboration avec le laboratoire "Matériaux, ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation...) et sciences" (CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) a découvert que l'acétate de zirconium, un composé chimique utilisé d'ordinaire pour stabiliser des particules en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de...), exerçait un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la croissance des cristaux de glace. En effet, ce composé contrôle la morphologie de cristaux de glace obtenus après congélation (On appelle congélation toutes technique visant à faire passer un produit à l'état solide par des techniques de refroidissement forcé. On parle de congélation principalement...) d'une solution l'associant avec de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). Les cristaux observés après ajout de cette substance s'avèrent très réguliers. En revanche, sans ajout d'acétate de zirconium, les cristaux de glace ne présentent pas de régularité particulière.


Sur cette image, le matériau a été élaboré en ajoutant le sel: elle est composée de motifs réguliers de forme hexagonale.
© Sylvain Deville

Ces résultats se révèlent très surprenants car l'acétate de zirconium est un "sel" (2), un composé simple radicalement différent des macromolécules connues pour leurs propriétés antigel. Il n'était pas connu comme pouvant contrôler la croissance de cristaux de glace. Ce contrôle peut s'effectuer à plusieurs niveaux: limiter la vitesse (On distingue :) de croissance des cristaux (on ralentit leur formation), baisser la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) de congélation (on retarde leur formation), ou encore contrôler la morphologie des cristaux de glace, comme c'est le cas ici. Il implique une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) directe avec les cristaux de glace, d'où la surprise des chercheurs de s'apercevoir que des molécules aussi différentes que l'acétate de zirconium et des protéines puissent agir sur la croissance cristalline.

Ce composé présente des avantages indéniables par rapport aux équivalents naturels et synthétiques existant: il est peu coûteux à produire, stable, "simple" et facile d'utilisation. Ces atouts laissent présager de nombreuses applications industrielles. Et, comme il est radicalement différent des substances identifiées et/ou conçues jusqu'à présent, de nouvelles perspectives de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) sont envisageables pour élaborer d'autres molécules aux propriétés antigel.

Ces travaux ont utilisé l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression mécanique ; elle...) et la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion...) par rayons X. Ils ont bénéficié d'un accès au rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) de Grenoble (ESRF) sur la ligne ID19. Ils font l'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...) de deux brevets publiés le 1er octobre 2011.

Notes:

(1) Lauréat 2011 d'une bourse ERC junior.

(2) En 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.), un sel est un composé ionique composé de cations et d'anions, 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 haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son...) un produit neutre et sans charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à...) nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...). Le sel utilisé ici est bien différent du sel de table.


Référence:

Ice shaping properties, similar to that of antifreeze proteins, of a zirconium acetate complex. Sylvain Deville, Céline Viazzi, Jérôme Leloup, Audrey Lasalle, Christian Guizard, Eric Maire (Le maire représente l'autorité municipale. Dans de nombreux cas, il est le détenteur du pouvoir exécutif au niveau d'une ville ou communal en France et...), Jérôme Adrien, Laurent Gremillard. PLoS ONE. 18 octobre 2011. doi:10.1371/journal.pone.0026474
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