Les molécules sont si petites que nous ne pouvons même pas les voir avec des microscopes ordinaires. Cela rend difficile l'étude des molécules ou des réactions chimiques :les chercheurs sont limités soit à des observations indirectes, soit à des modèles informatiques. Une équipe de chercheurs de l'Université d'Amsterdam et de l'Université de New York a maintenant trouvé un moyen de construire des molécules modèles de la taille d'un micromètre à l'aide de «particules inégales». Cela permet une étude beaucoup plus directe de la dynamique moléculaire. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature cette semaine.

Quand on apprend la chimie au lycée, nous utilisons des kits de modélisation moléculaire dans lesquels les atomes sont représentés par des boules en bois ou en plastique que vous pouvez connecter pour former des molécules. Ces kits de modélisation nous aident à visualiser la structure spatiale des molécules et à imaginer comment elles réagissent, mais évidemment aucune réaction chimique réelle ne se produit entre les billes de bois ou de plastique. Il s'avère maintenant que pour les très petites balles, cette situation change radicalement.

Un nouveau kit de modelage

Alors que les kits de modélisation moléculaire peuvent être très utiles, la plupart de nos connaissances actuelles sur les molécules proviennent d'une manière beaucoup plus indirecte. Ça arrive, entre autres, à partir de mesures du spectre de rayonnement que les molécules absorbent. Par exemple, un spectre infrarouge fournit aux scientifiques une empreinte des vibrations moléculaires à partir de laquelle ils peuvent déduire la composition et la structure moléculaires. Une vue directe des molécules permettrait un aperçu immédiat de leur arrangement, vibrations et réactions moléculaires. Cependant, de telles images directes sont exclues par la petite taille et le mouvement rapide des molécules. Le fait que toutes les observations de molécules soient indirectes, défie notre imagination des structures et réactions moléculaires tridimensionnelles.

Ce problème a conduit les physiciens et chimistes de l'Université d'Amsterdam et de l'Université de New York à trouver un moyen de combiner la visualisation facile des kits de modélisation moléculaire courants avec la physique réelle qui se déroule à l'échelle sub-nanométrique de molécules réelles. Dans les laboratoires d'Amsterdam, les scientifiques ont réussi à construire des "molécules" à partir de petites billes de plastique micrométriques, particules dites colloïdales, qui ont été produites dans les laboratoires de New York. Les particules ont été faites de telle manière qu'elles ne s'attirent que dans certaines directions, modéliser très précisément les angles spécifiques entre les liaisons chimiques entre atomes, qui déterminent la façon dont les atomes s'arrangent en molécules.

Ces particules de taille micrométrique combinent en effet le meilleur des deux mondes :elles sont suffisamment petites pour présenter le mouvement et les vibrations caractéristiques que subissent les molécules en raison de la température, mais sont juste assez grands pour être observés et suivis à l'aide d'un microscope ordinaire.

Atomes dedans, molécules dehors

Pour imiter des types spécifiques d'atomes, les chercheurs d'Amsterdam ont utilisé des techniques développées au cours des dernières années pour équiper les particules colloïdales de zones attrayantes où les atomes modèles pourraient « cliquer » ensemble. Le nombre et la configuration de ces patchs déterminent le type d'atome qui est modélisé, par exemple, imiter les atomes de carbone, les chercheurs ont fabriqué des particules avec quatre patchs dans une géométrie de tétraèdre, ou des particules avec deux taches sur les côtés opposés, reproduisant les angles de liaison de deux états de liaison bien connus des atomes de carbone. En plus de cela - et c'est là que le nouveau kit va bien au-delà des modèles moléculaires communs - ils ont réussi à affiner les interactions entre les patchs afin que les atomes modèles puissent former des liaisons et se séparer à nouveau exactement de la même manière que les atomes le font. dans de vraies réactions chimiques.

Le kit de modélisation s'est avéré fonctionner parfaitement. Lorsque plusieurs atomes modèles ont été réunis, les chercheurs ont observé que les particules formaient en effet les « molécules » bien connues de la chimie du carbone. Sous un microscope, des analogues de molécules telles que le butyne et le butane étaient visibles, des molécules dont les atomes principaux sont disposés le long d'une ligne. Molécules avec des configurations en forme d'anneau, qui jouent un rôle important en chimie organique, pourraient également être modélisées :des structures telles que le cyclopentane (une molécule avec un cycle de cinq atomes de carbone) et le cyclohexane (avec un cycle de six de ces atomes) pourraient être observées.

Plissement et catalyse

En raison de la plus grande taille des molécules modèles, les chercheurs ont pu suivre leur formation et leur mouvement interne en temps réel et dans les moindres détails. Cela leur a permis de voir directement des phénomènes qui ne se produisaient qu'à partir d'observations indirectes. Par exemple, pour la structure cyclique à cinq atomes du cyclopentane, ils ont directement observé le mouvement caractéristique de « plissement » des atomes constitutifs :le cycle cyclopentane n'est pas fixé dans un seul plan, mais il se déforme de sorte que les atomes constitutifs entrent et sortent de ce plan. La raison de ce comportement est que les angles naturels entre les atomes ne correspondent pas exactement aux angles nécessaires pour former un anneau plat à cinq atomes, et par conséquent, un atome doit toujours être expulsé du plan. Jusque là, le mouvement de plissement résultant n'avait été observé que par des mesures spectroscopiques indirectes, mais maintenant les chercheurs ont pu le voir se produire sous leurs yeux, suivre le mouvement directement dans l'espace et le temps réels. Ils ont découvert que les flips se produisaient collectivement :le mouvement de haut en bas d'une particule influençait celui de toutes les autres particules de l'anneau.

En utilisant la même molécule, les chercheurs ont alors pu observer comment se déroulaient les réactions chimiques. On a observé que l'anneau s'ouvrait et se fixait à d'autres molécules, un effet qui pourrait être renforcé en ajoutant une surface attrayante à la configuration. C'est-à-dire, la surface a agi comme un catalyseur, fournissant un aperçu - littéralement - de ce qui se passe au cours de telles réactions catalytiques.

Assez petit mais assez grand

Bien sûr, la taille micrométrique des atomes modèles est toujours d'un facteur 1000 environ plus grande que la taille sub-nanométrique des atomes réels, mais le fait est qu'ils sont assez petits pour subir un mouvement thermique aléatoire, et c'est ce qui provoque les réactions chimiques. Comme Richard Feynman l'a dit dans ses conférences, « Tout ce que font les êtres vivants peut être compris en termes de tremblements et de remuements d'atomes » ; et c'est précisément ces tressaillements et tressaillements, clairement observable en regardant les atomes colloïdaux au microscope, qui distinguent le kit de modélisation moléculaire de taille micrométrique de son homologue que nous connaissons depuis le lycée.

Ainsi, le kit de modélisation est un outil très utile pour observer directement des "molécules" dans leur habitat naturel, et devrait avoir de nombreuses applications utiles. En plus de donner une visualisation attrayante des molécules, les résultats donnent un aperçu de l'action des catalyseurs géométriques sur les réactions moléculaires. Par ailleurs, la disponibilité des nouveaux petits blocs de construction ouvre la porte à la conception de nouveaux matériaux complexes, directement sous le microscope, avec une multitude d'applications allant des tissus artificiels, par ex. à des fins médicales aux nanostructures fonctionnelles utilisables en technologie.