Les modèles et les diagrammes schématiques sont des outils puissants pour étudier les rouages ​​fondamentaux de la chimie, mais ils ne suffisent pas à Wilson Ho.

"Les atomes, molécules et les liens qui les unissent - je veux voir ces choses telles qu'elles apparaissent réellement dans la nature, " dit Ho, Professeur Donald Bren de physique, d'astronomie et de chimie de l'UCI. "Ces phénomènes sont au cœur de la chimie; il est important de les imager directement au lieu de simplement les étudier à partir de dessins dans des manuels."

Ho, arrivé à l'UCI en 2000, a fait carrière en essayant de comprendre le comportement intermoléculaire. Il veut savoir « quelle est la nature de cette interaction, ce qui se passe réellement au point de liaison et ce qui fait que les molécules s'attirent pour former plus compliqué, structures étendues ?"

Ces derniers mois, lui et son groupe de recherche ont fait des percées importantes dans leurs efforts pour voir ces processus jusque-là invisibles. Leur objectif était d'obtenir un instantané des liaisons chimiques impliquant le fluor, qui partage une colonne du tableau périodique avec d'autres éléments dits halogènes, dont le chlore, brome et iode.

Le fluor est utilisé dans de nombreux médicaments et dans les polymères qui composent la plupart des matériaux que les gens utilisent quotidiennement. Mais, selon Ho, même les fabricants qui manipulent des molécules contenant l'élément ne savent pas exactement comment il interagit avec les composés adjacents.

En utilisant une pièce unique, microscope fait main, Ho et ses étudiants diplômés ont réussi à imager des liaisons halogènes dans l'espace réel et ont rapporté leurs découvertes dans Science cet été.

« Les vues précédemment obtenues grâce à notre méthode ont montré que de nombreuses liaisons chimiques sont assez similaires dans le monde réel à ce que vous voyez dans la littérature :en gros, atomes avec des lignes les reliant, " dit Ho. "Mais le motif de la liaison fluor-halogène - une sorte de forme de moulinet - était assez surprenant, certainement différent de tout ce que vous dessineriez sur une feuille de papier."

Le scientifique chevronné dit que cette ligne de recherche a stimulé une évolution dans sa réflexion sur les liaisons chimiques, qui sont classés sous des rubriques telles que l'hydrogène, covalente, ionique et halogène, ainsi que des liaisons faibles connues sous le nom d'interactions de Van der Waals que Ho compare aux traces collantes d'un gecko.

"L'implication la plus profonde de notre travail est que tous ces différents types de liaisons chimiques peuvent être décrits dans une image plus unifiée, " dit-il. " En utilisant notre appareil et notre technique, nous pouvons voir que les liaisons covalentes fortes et les liaisons halogènes plus faibles semblent très similaires; il y a juste une différence dans la force et le degré de partage des électrons."

La clé de toutes les découvertes provenant du laboratoire de Ho est un instrument appelé microscope à effet tunnel. Occupant trois niveaux au sous-sol de Reines Hall, l'énorme conglomérat de chambres et de tuyaux en acier inoxydable – en grande partie recouverts de papier d'aluminium froissé – est relié par des kilomètres de fils et de câbles et entouré de banques d'ordinateurs et d'autres équipements électroniques.

Conçu et construit par Ho et des étudiants diplômés, l'appareil plane sur un ensemble de quatre poteaux amortisseurs pour minimiser toute perturbation due aux vibrations externes. Ce microscope n'utilise pas de lentille optique. Au lieu, il image les molécules avec une pointe émettrice d'électrons, ou une aiguille, positionné à seulement 5 angströms des sujets. (En comparaison, un atome d'hydrogène est un demi-angström.) L'aiguille est stable à un millième d'angström.

Une autre clé de la stabilité et de la précision de l'instrument est sa température de fonctionnement, 600 millikelvins. Zéro absolu, la température théorique la plus basse, est plus froid de seulement six dixièmes de kelvin.

"Cela nous donne une très bonne résolution énergétique, qui nous permet de mesurer avec précision de minuscules ondulations électrostatiques à l'intérieur et entre les molécules que nous étudions, " dit Ho. "Nous pouvons obtenir des images en surveillant les variations de l'intensité vibratoire de notre molécule sonde."

Pour descendre à cette température, il puise dans sa propre réserve d'hélium liquide, qu'il recycle dans une autre installation de Reines Hall, également conçu et construit par son équipe. "Nous aimons construire nos propres instruments, " dit Ho. " Il fournit une bonne formation pour les étudiants. Quand ils partent d'ici, ils peuvent compter sur toute cette expérience pour résoudre des problèmes et fabriquer des appareils. Peu d'endroits font ça."

Un de ces étudiants diplômés, Grégory Czap, a mis sa marque sur le microscope en inventant des dispositifs de verrouillage qui permettent aux chercheurs de changer rapidement d'expérience.

"Je pense que c'est assez phénoménal de se mettre au travail sur une machine comme celle-ci, " dit-il. " Il vous donne la possibilité de regarder des atomes simples et des liaisons. Des choses comme ça, il n'y a pas si longtemps, les gens ne pensaient pas que vous pourriez jamais vraiment voir. Et plus que de les regarder, vous pouvez jouer avec eux. Vous pouvez faire des choses comme rompre et former des liens. Vous pouvez repositionner les molécules pour voir comment elles interagissent les unes avec les autres. C'est juste incroyable."