Un coup d'œil au cœur de la molécule

Pour la première fois, l'évolution en "temps réel" de la structure moléculaire lors d'une réaction chimique a été observée par une équipe de l'EPFL (Ecole polytechnique Fédérale de Lausanne) en collaboration avec le Paul-Scherrer Institut (PSI). Voyage dans le tout petit, à la source des réactions chimiques et biologiques...

Cette prouesse technique, permettant d'observer le mouvement moléculaire à une échelle de temps encore jamais atteinte, a été réalisée par une équipe de recherche dirigée par le Professeur Majed Chergui, directeur du Laboratoire de spectroscopie ultrarapide (EPFL) en collaboration avec le FEMTO group (PSI), est publiée dans la dernière édition de la revue Science.

Cette avancée technologique ouvre d'intéressantes perspectives dans l'étude des systèmes chimiques et biologiques. Elle permet notamment une meilleure compréhension de l'évolution de la structure moléculaire lors de réactions chimiques. Les chercheurs l'ont appliquée à l'étude de complexes moléculaires contenant des atomes métalliques, très étudiés en chimie. Ceci pourrait donc déboucher sur des avancées dans le domaine du stockage d'informations sous forme magnétique, ou en énergie solaire. Elle ouvre aussi des perspectives en biologie, ces molécules étant les analogues des centres actifs des hémoproteines (hémoglobine, myoglobine).

Structure et évolution

A titre de comparaison, les mouvements, insaisissables à l'œil nu, d'un chat se retournant dans sa chute et retombant sur ses pattes ne peuvent être observés qu'à l'aide d'une caméra prenant des clichés séparés de quelques dizaines de millisecondes. En faire de même avec les molécules, 100 000 millions de fois plus petites que le félidé, suppose une caméra pouvant faire des clichés séparés de quelques dizaines de femtosecondes (1 femtoseconde = 10^-15 sec et est à une seconde, ce qu'une seconde est à 32 millions d'années!)

Si certains lasers permettent une telle résolution temporelle, les méthodes optiques ne donnent pas d'informations sur la structure moléculaire. Pour résoudre cette difficulté, l'équipe du professeur Chergui a combiné des lasers délivrant des impulsions femtoseconde de lumière ultraviolette-visible avec une source d'impulsions femtoseconde de rayons X, dans une technique appelée spectroscopie d'absorption X ultrarapide. "Avec ce type de rayonnement pulsé et de très courtes longueurs d'onde, il est possible d'observer les changements de la structure moléculaire, et ainsi d'obtenir des informations précises sur la rupture, la formation ou la transformation des liaisons chimiques entre les atomes. Et tout cela en temps-réel!", explique Majed Chergui.

Effort conjoint avec le PSI

Pour obtenir une telle précision, les chercheurs avaient besoin d'une source de rayons X femtoseconde à la fois stable et accordable en longueur d'onde. Ils l'ont trouvée au PSI, grâce à une collaboration avec l'équipe de Rafael Abela. En utilisant les impulsions femtoseconde extraites de l'accélérateur Swiss Light Source, par une technique que le PSI a développée, les deux équipes sont parvenues, pour la première fois, à suivre l'évolution d'une molécule subissant un changement de structure en 150 fs!

Cette méthode constitue un excellent outil d'analyse des réactions dans les milieux liquides et désordonnés qui caractérisent les systèmes biologiques et la plupart des systèmes chimiques. Pour Majed Chergui, la prochaine étape sera de l'appliquer à d'autres systèmes.