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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 internationale (INRS/ MBI/CNRS/CEA/Université de Bordeaux) a conçu 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 ultracourtes, ce qui révèle cette caractéristique moléculaire.

Les gauchers le savent : de nombreux objets sont conçus pour être manipulés avec la main 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.

Mais, comme le savent tous les 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 dans le miroir. On parvient à les distinguer uniquement lorsqu’elles interagissent avec un autre objet 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, 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 vivant sont également chirales. Habituellement, on détermine la chiralité en utilisant de la lumière « circulaire » dont le champ électromagnétique tourne dans le sens horaire ou antihoraire en formant 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 d’onde de la lumière dépasse largement la taille des molécules ; la spirale 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 SOLEIL, le Laboratoire interactions, dynamiques et lasers (LIDYL, CNRS/CEA)et l’INRS. Cette dernière amplifie grandement le signal chiral. « Pour y arriver, des impulsions laser ultra-brèves et polarisées circulairement sont envoyées sur des molécules chirales » explique Samuel Beaulieu, doctorant en sciences de l’énergie et des matériaux à l’INRS et premier auteur de l’article.

Les impulsions laser utilisées durent seulement quelques millionièmes de milliardièmes de seconde et transfèrent leur énergie aux électrons des molécules. Les électrons ainsi excités décrivent un mouvement circulaire dans le sens de la lumière excitatrice, tout 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 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.

Les chercheurs ont nommé cette nouvelle méthode le dichroïsme circulaire de photoexcitation. Elle permet d’initier et de suivre dans le temps les dynamiques ultrarapides dans les molécules chirales. En plus de son intérêt fondamental, cette technique à la frontière du domaine de la « physique moléculaire aux temps ultra-courts » pourrait être extrêmement utile dans des domaines tels que la chimie, la biochimie, la catalyse ou la pharmaceutique pour lesquelles la chiralité est un enjeu central.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

CEA

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