Pour la première fois, des physiciens ont réussi à directement détecter une liaison d’hydrogène dans une seule molécule, ce qui signifie que nous pouvons désormais observer l’élément le plus petit et le plus abondant de l’Univers de manière extrêmement précise.
Cette expérience a également révélé à quel point nos appareils d’imagerie sont devenus performants : les liaisons d’hydrogène sont bien plus faibles que les liaisons chimiques, et jusqu’à maintenant, il était impossible de les voir. Mais à présent, les scientifiques peuvent les visualiser de manière tellement claire, en utilisant un microscope à force atomique, qu’ils peuvent mesurer la force de liaison exacte.
L’hydrogène est sans doute l’un des éléments que les scientifiques tentent le plus, de mieux comprendre. En effet, l’hydrogène représente 75% de toute la masse visible dans l’Univers, et plus de 90% de tous les atomes. Il se lie facilement avec presque tous les éléments non métalliques de la table périodique, et ses liens avec l’oxygène et le carbone sont la raison pour laquelle nous existons. Nous pouvons également remercier les liens d’hydrogène pour la structure à double hélice de l’ADN, qui est très solide : c’est des millions de liaisons d’hydrogène qui font en sorte que l’ADN reste intact, faisant de lui l’un des éléments fondamentaux de la vie telle que nous la connaissons.
Mais il y a toujours eu deux défis majeurs en ce qui concerne l’étude des liens d’hydrogène sous leur forme la plus pure : l’hydrogène est aussi petit que les atomes, et ses faibles liens sont très facilement cassés, en particulier lorsqu’il s’agit d’étudier des molécules uniques. « L’atome d’hydrogène – l’atome le plus petit et le plus abondant – est d’une importance capitale en physique et en chimie », expliquent les chercheurs de l’Institut suisse de Nanosciences, de l’Université de Bâle. « Bien que de nombreuses méthodes d’analyse aient été appliquées à son étude, l’observation directe d’atomes d’hydrogène dans une seule molécule reste largement inexplorée », ajoutent-ils.
En utilisant des composés d’hydrogène appelés propellanes, avec des configurations qui ressemblent à une hélice, l’équipe suisse a mesuré avec succès la force et la distance entre un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. « Nos calculs confirment la signature du lien directionnel, une caractéristique de la liaison hydrogène très faible », expliquent les chercheurs. « La mesure directe de l’interaction avec un atome d’hydrogène ouvre la voie à l’identification de molécules tridimensionnelles comme l’ADN et les polymères », ajoutent-ils.
Comment ont-ils procédé ? Ils ont choisi des composés d’hydrocarbures qui s’arrangent toujours pour avoir au moins deux atomes d’hydrogène pointant vers le haut. Vous pouvez voir la vue latérale en forme d’hélice ci-dessous, avec les atomes d’hydrogène en blanc (la deuxième liaison d’hydrogène pointant vers le haut est obstruée derrière la première) :
Puis, l’équipe a soumis cette molécule à un microscope à force atomique (AFM), qui est un microscope à sonde locale, de très haute résolution, permettant de visualiser et de mesurer des forces minuscules.
Ils ont augmenté la pointe du microscope avec du monoxyde de carbone, ce qui l’a rendu extrêmement sensible à l’hydrogène. Lorsque la pointe a été rapprochée des atomes d’hydrogène, les liaisons ont été formées de manière à pouvoir être examinées directement par le microscope. Dans l’image ci-dessous, vous pouvez voir les deux atomes d’hydrogène pointer vers le haut :
Comme vous pouvez le voir dans l’illustration ci-dessus, la pointe de monoxyde de carbone forme une liaison avec le composé d’hydrocarbure situé dessous. Lorsque les chercheurs ont comparé leurs résultats aux calculs établis concernant des liaisons d’hydrogène dans ce type de molécule, ils ont constaté que ceux-ci correspondaient totalement.
« Les hydrocarbures sont l’un des produits les plus variés et les plus fonctionnalisés au cœur de l’ingénierie, de la chimie et de la vie, et l’hydrogène est souvent vital dans leur fonction », soulignent les chercheurs. Maintenant que nous pouvons directement mesurer les liaisons d’hydrogène, nous allons pouvoir étudier l’un des blocs de construction des plus fondamentaux de l’Univers de manière bien plus précise.
