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Quand les électrons partent en vrille

par Webmaster - publié le

Quand les électrons partent en vrille
De nombreux objets sont conçus pour être manipulés avec la main droite et ne conviennent pas à la main gauche. Dans le petit monde de la physique moléculaire, c’est pareil ! Les molécules chirales ont une structure 3D « asymétrique » telle qu’elles existent sous deux formes, comme notre main droite et notre main gauche (on les appelle énantiomères). Mais plus important pour le vivant, les réactions biochimiques passent par certaines étapes de transformations qui sont spécifiques à une seule de ces deux formes.
Comme les propriétés physico-chimiques de molécules chirales sont quasi identiques, c’est tout un art de les différencier. La plus fructifiante des stratégies est de les faire interagir avec un autre objet chiral, comme notre pied droit reconnaît de suite notre chaussure droite par exemple. 
L’outil chiral le plus facile à manipuler est la lumière circulairement polarisée 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 infime (typiquement <0.5%), car la longueur d’onde de la lumière ( 1µm à 160 nm) dépasse largement la taille des molécules (<1nm). Du coup, la spirale de la lumière est bien trop grande pour que la molécule « perçoive » pleinement le sens de sa rotation. Toutefois c’est ce qui est utilisé depuis près d’un siècle, tout particulièrement pour identifier les structures secondaires de protéines en biochimie. Aujourd’hui, les efforts de recherche avec cette technique portent sur le rapport signal sur bruit, pour réduire les temps d’acquisitions et limiter la taille des échantillons.
Au CELIA, nous avons développé une nouvelle technique tout aussi simple : des impulsions laser ultra-brèves (femtoseconde) et polarisées circulairement interagissent avec les molécules chirales. Certains électrons sont alors excités et décrivent un mouvement circulaire dans le sens de la lumière excitatrice, mais 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. C’est ce qu’on appelle la diffusion d’un électron dans le potentiel chiral de la molécule. Ayant une taille similaire à celle de la molécule, la spirale électronique permet d’en sonder les propriétés géométriques telles que sa chiralité. Comment détecter cette spirale ? On utilise une seconde impulsion laser femtoseconde pour capter la direction dans laquelle l’électron part en vrille. C’est une simple ionisation par une impulsion de polarisation linéaire dans un montage de type pompe-sonde. 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.
Nous avons 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.
Ce nouveau dichroïsme ouvre des portes pour étudier la reconnaissance chirale, qui passe souvent par une étape de chiralité transitoire. En effet, on parle de chiralité de configuration (permanente), quand pour passer d’un énantiomère à l’autre des liaisons chimiques doivent être brisées et créées. Mais il existe aussi une autre chiralité dite transitoire via le changement de géométrie par rotation/pliage de liaisons permettant de passer d’un énantiomère à l’autre. Dans ce dernier cas, consubstantielle à la biochimie, il est nécessaire de résoudre temporellement l’interconversion entre les deux énantiomères. Les chercheurs proposent de détecter cette chiralité transitoire via le dichroïsme circulaire de photoexcitation dont la durée de vie dépend de la cohérence de conformation de la molécule.

Ce travail expérimental intégralement réalisé au CELIA (CNRS-Université de Bordeaux-CEA) a rassemblé une collaboration internationale impliquant le Max Born Institut (Berlin), l’INRS (Montréal), le Lidyl, et le Synchrotron SOLEIL.

Les auteurs avec l’aide de Stephanie Thibault (Conseillère en communication à l’INRS)

Photoexcitation circular dichroism in chiral molecules
S. Beaulieu, A. Comby, D. Descamps, B. Fabre, G. A. Garcia, R. Géneaux, A. G. Harvey, F. Légaré, Z. Mašín, L. Nahon, A. F. Ordonez, S. Petit, B. Pons, Y. Mairesse, O. Smirnova & V. Blanchet

doi:10.1038/s41567-017-0038-z


Suite à une excitation par une impulsion laser ultra-brève polarisée circulairement, les électrons excités de la molécule décrivent un mouvement de spirale, dont le sens dépend de la chiralité, droite ou gauche, de la molécule.