Les chimistes travaillent depuis des décennies avec la résonance magnétique nucléaire, une technique qui utilise des aimants pour sonder la structure des molécules. Si l’approche fonctionne très bien pour nombre d’éléments, ce n’est pas le cas pour la majeure partie du tableau périodique. Cela s’explique par le fait que de nombreux noyaux, appelés « noyaux quadripolaires », ont un comportement qui les rend difficiles à détecter par les méthodes conventionnelles.
« Habituellement, il faut un aimant supraconducteur qui coûte 20 millions de dollars juste pour obtenir une image claire des noyaux les plus complexes, explique le professeur Bryce. De nombreuses expériences sont donc hors de portée pour la plupart des laboratoires. »
C’est là qu’entre en jeu l’ingéniosité du doctorant Alireza Nari. Il a adapté une méthode spectroscopique déjà connue, la résonance quadripolaire nucléaire, que l’équipe a modernisée pour mesurer la structure et le comportement d’isotopes notoirement complexes, comme l’iode et le brome, en utilisant uniquement de minuscules champs magnétiques.
Écouter les atomes autrement
Si la résonance magnétique nucléaire s’apparente à une puissante radiographie des atomes, la résonance quadripolaire nucléaire, quant à elle, se compare plutôt à un microphone sensible qu’on leur met sous le nez. En désorganisant légèrement les atomes avec un faible champ magnétique (ce qu’on appelle l’effet Zeeman), l’équipe de recherche a pu « entendre » des signaux subtils qui révèlent les liens et les interactions entre atomes voisins. « C’est comme espionner une conversation entre atomes sans les déranger », explique M. Nari.
Dans le cadre de ses recherches novatrices, le duo a utilisé cette méthode pour mesurer la force des liaisons halogènes, une interaction non covalente (c’est-à-dire une interaction faible entre des molécules ou des parties de molécules) qui contribue à la stabilité et à la fonction de nombreux matériaux. Ces forces faibles, bien qu’invisibles à l’œil nu, sont cruciales dans des domaines allant de la conception de médicaments au développement de nouveaux matériaux électroniques.
La science durable
Au-delà de l’exploit scientifique, ces recherches envoient un message plus général : celui de la durabilité en science. Non seulement les aimants supraconducteurs ont un coût astronomique, mais ils ont aussi besoin pour fonctionner d’hélium liquide, une ressource naturelle déjà rare et de moins en moins abondante. « Grâce à cette nouvelle approche, plus besoin d’aimants massifs ni de cryogènes rares pour étudier les noyaux fortement quadripolaires, explique le professeur Bryce. La science devient ainsi plus accessible, abordable et écologiquement responsable. »
Une nouvelle entreprise, lancée par Patrick Szell, ancien étudiant du professeur Bryce, est en train de mettre au point un appareil inédit qui exploite ces principes dans le but de faciliter l’accès à la résonance magnétique nucléaire.
Ce changement pourrait permettre à davantage de chercheuses et chercheurs du monde entier d’explorer des éléments et des interactions auparavant hors de portée et de faire des découvertes en chimie, en science des matériaux et dans plusieurs autres domaines.
L’aventure de la découverte se poursuit
Le professeur Bryce et M. Nari travaillent déjà à des études de suivi pour étendre la méthode à d’autres éléments et s’attaquer à des questions comme le chevauchement des signaux atomiques. Ils rêvent d’un avenir où les scientifiques pourront cartographier les interactions sur l’ensemble du tableau périodique sans avoir besoin d’outils ultras coûteux. Comme l’explique M. Nari, le fait de pouvoir capter ces minuscules changements au niveau atomique aidera les scientifiques à concevoir de meilleurs matériaux, des médicaments mieux adaptés et des technologies encore plus efficaces.
La présente recherche est la preuve qu’il n’est souvent pas nécessaire de construire de plus grosses machines pour révolutionner la science, mais seulement d’envisager les problèmes sous un angle différent.
Pour en savoir plus :
- Halogen Bond Strength in Solids Quantified via Zeeman-Perturbed Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy(en anglais seulement) (force de la liaison halogène dans les solides quantifiés par spectroscopie de résonance quadripolaire nucléaire perturbée par effet Zeeman)
- Laboratoire Bryce | Spectroscopie RNM à l’Université d’Ottawa(en anglais seulement)
- Alireza Nari | LinkedIn
- Patrick Szell – Quadrufy (en anglais seulement)