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La liaison hydrogène observée au microscope à force atomique

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Sans les liaisons hydrogène, l'eau et l'ADN perdraient bon nombre de leurs propriétés. Les chimistes et les biologistes ne peuvent donc qu'être intéressés par la performance d'une équipe de chercheurs chinois travaillant dans le domaine de la nanotechnologie. Ils viennent d'observer au microscope à force atomique des liaisons entre des molécules. C'est une première avec cet instrument.

Des molécules de 8-hydroxyquinoléine. Sur les images de droite : C (carbone) = vert, H (hydrogène) = blanc, O (oxygène) = rouge, N (azote) = bleu, et les liaisons hydrogène sont représentées en pointillés. Ces molécules, sur une surface de cuivre, peuvent se retrouver liées par des liaisons hydrogène à basse température. C'est ce que l'on constate sur les deux images à gauche prises avec un microscope à force atomique. © Science, AAAS

C'est au début du XXe siècle que plusieurs chimistes ont plus ou moins indépendamment pris conscience qu'il existait une liaison chimique que l'on nomme la liaison hydrogène. Fragile, elle est 20 fois plus faible que la liaison covalente (celle qui lie les atomes des molécules), mais plus forte que les liaisons de van der Waals que l'on a d'abord identifiées dans les gaz. Elle doit son existence essentiellement à des interactions électrostatiques de type dipôle-dipôle mais il existe un débat sur la part des effets quantiques responsables ordinairement des liaisons covalentes.

Or, mieux comprendre la liaison hydrogène est au plus haut point intéressant parce que l'on peut la considérer comme la liaison chimique de la vie. En effet, elle intervient non seulement dans la formation des structures tridimensionnelles des protéines (et surtout, des liaisons entre les bases de l'ADN), mais est aussi responsable de bien des propriétés singulières de l'eau. Ainsi, au voisinage de 0 °C, l'eau se contracte quand on la chauffe et elle devient plus fluide quand on la comprime. L'eau est, de plus, un excellent solvant pour les sels, les acides et les bases en les dissociant en ions positifs et négatifs.

Du microscope à effet tunnel au microscope à force atomique

Pour percer quelques-uns des secrets de la liaison hydrogène, on a tenté de l'observer au microscope entre des molécules. On y est parvenu il y a quelques années, pas avec un instrument ordinaire, mais grâce à un microscope à effet tunnel. On doit cette invention de 1981 aux prix Nobel  de physique Gerd Binnig et Heinrich Rohrer alors membre du laboratoire IBM de Zurich.

Principe d'une mesure au microscope à force atomique en mode d'absence de contact (c'est-à-dire avec une molécule de monoxyde de carbone à la pointe de l'aiguille du microscope). En faisant réfléchir un faisceau laser sur la plaque portant la pointe du microscope, on peut déduire les variations de position verticale causées par les variations des forces exercées par les atomes. De ces variations, on peut déduire une image par traitement mathématique. © UC Regents, 2013

Quelques années plus tard, les deux chercheurs firent évoluer ce microscope en inventant cette fois-ci le microscope à force atomique (AFM pour Atomic Force Microscopy en anglais). Récemment, on s'est aperçu que l'on pouvait augmenter sa résolution par sérendipité. Il suffisait de le faire fonctionner avec ce que l'on appelle maintenant un « mode sans contact », c'est-à-dire en interposant entre la pointe du microscope et l'objet à imager une molécule de monoxyde de carbone.

Une clé pour mieux comprendre la liaison hydrogène

Forts de ce résultat, des chercheurs du National Center for Nanoscience and Technology en Chine et de l'université de Renmin ont mobilisé le potentiel du microscope à force atomique pour explorer le monde de la liaison hydrogène. Ils ont choisi comme laboratoire d'étude des molécules de 8-hydroxyquinoléine, car les atomes de ces molécules sont plus ou moins dans un plan. Cela a permis aux physiciens et aux chimistes d'obtenir la première image de la liaison hydrogène avec un AFM.

Ils n'en sont pas encore à pouvoir clore le débat, récemment ravivé, sur de l'importance de la part des effets non purement électrostatiques dans les liaisons hydrogène entre certaines molécules. Mais incontestablement, un outil de plus est à la disposition de la communauté scientifique pour progresser en direction d'une vision plus large et plus précise de cette liaison, si importante pour les systèmes biologiques.

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