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Explorant le mystère de la manipulation moléculaire dans la nature, les scientifiques ont proposé une nouvelle façon expérimentale pour créer des molécules miroirs sur mesure. Cette technique peut faire tourner des molécules ordinaires si vite qu’elles perdent leur symétrie et leur forme normales et forment des versions miroirs les unes des autres.

La chiralité

L’équipe de recherche de DESY, de l’Université de Hambourg et de l’Université College de Londres dirigée par Jochen Küpper décrit cette méthode innovante dans la revue Physical Review Letters. L’exploration plus poussée de la chiralité peut non seulement améliorer notre  compréhension du fonctionnement de la nature, mais pourrait également ouvrir la voie à de nouveaux matériaux et méthodes de production.
Comme vos mains, de nombreuses molécules dans la nature existent en deux versions qui sont des images miroirs l’une de l’autre. « Pour des raisons inconnues, la vie telle que nous la connaissons sur Terre préfère presque exclusivement les protéines gauches, alors que le génome est organisé comme la fameuse double hélice droite », explique Andrey Yachmenev, qui dirige ce travail théorique au sein du groupe de Küpper au centre des sciences Laser à électrons libres (CFEL).
« Depuis plus d’un siècle, les chercheurs tentent d’éluder les secrets de cette différence dans la nature, qui n’affecte pas seulement le monde du vivant – les versions miroirs de certaines molécules modifient les réactions chimiques et modifient le comportement des matériaux. »Par exemple, la version droite de la caravone (C10H14O) lui donne son goût distinctif qui rappelle celui de l’aneth, tandis que la version gauche lui donne un goût de menthe verte.

Une chiralité induite

La chiralité ne se produit naturellement que dans certains types de molécules. « Toutefois, il peut être induit artificiellement dans des molécules dites à sommet symétrique », déclare Alec Owens, coauteur du centre d’imagerie ultrarapide (CUI). « Si ces molécules sont agitées assez rapidement, elles perdent leur symétrie et produisent deux formes miroirs, selon leur sens de rotation. Jusqu’à présent, très peu de choses sont connues sur ce phénomène de la chiralité induite rationnellement, parce qu’il n’existe pratiquement aucune façon pour le produire qui puisse être suivi expérimentalement. »
L’équipe de Küpper a maintenant conçu une méthode de calcul pour obtenir cette chiralité induite par rotation avec des paramètres précis en laboratoire. Il utilise des impulsions laser en forme de tire-bouchons appelées centrifugeuses optiques. À l’exemple de la phosphine (PH3), leurs calculs de mécanique quantique montrent qu’à des vitesses de rotation de trillions de fois par seconde, la liaison phosphore-hydrogène autour de laquelle tourne la molécule devient plus courte que les deux autres de ces liaisons et, selon le sens de la rotation, deux formes chirales de phosphine émergent.
« Grâce à un fort champ électrique statique, il est possible de choisir la version gauche ou droite de la phosphine », explique M. Yachmenev. « Pour réaliser encore la rotation unidirectionnelle ultra-rapide, Le tire-bouchon-laser doit être affiné, mais avec des paramètres précis. »
Ce système ouvre une voie complètement nouvelle dans le monde miroir, car il fonctionnerait en principe aussi avec d’autres molécules plus lourdes. En fait, celles-ci nécessiteraient  des impulsions laser et des champs électriques plus faibles, mais elles étaient trop complexes pour être résolues dans les premières étapes de cette recherche. Cependant, comme la phosphine est très toxique, des molécules plus lourdes seraient probablement préférées pour de futures expériences.

Des molécules miroirs sur mesure

Cette méthode pourrait fournir des molécules miroirs sur mesure, et la recherche de leurs interactions avec l’environnement; par exemple avec la lumière polarisée, elle devrait aider à pénétrer davantage les mystères de la chiralité dans la nature et d’explorer son utilisation, explique Küpper, qui est également un professeur de physique et de chimie à l’Université de Hambourg.

Créer de nouveaux états de la matière

« Faciliter notre compréhension de ce phénomène de la chiralité pourrait aussi contribuer au développement de molécules et de matériaux sur mesure, de nouveaux états de la matière et de son utilisation dans de nouveaux métamatériaux ou des dispositifs optiques. »
Source : Deutsches Elektronen-Synchrotron