Le spin des électrons fait la différence

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Le spin des électrons fait la différence

Les biomolécules telles que les acides aminés et les sucres se présentent sous deux formes symétriques, alors que dans les organismes vivants, on n’en trouve qu’une seule. On ne sait toujours pas pourquoi il en est ainsi. Des chercheurs de l’Empa et du centre de recherche de Jülich ont maintenant trouvé des indices montrant que l’interaction entre les champs électriques et magnétiques pourrait être à l’origine de ce phénomène.

La chiralité de la vie - le fait que toutes les biomolécules dans les organismes vivants n’existent que sous l’une des deux formes symétriques - a déjà fait l’objet de nombreuses réflexions de la part de sommités scientifiques, à commencer par Louis Pasteur, le découvreur de la chiralité moléculaire, William Thomson (Lord Kelvin) et Pierre Curie, lauréat du prix Nobel. Une explication concluante fait toujours défaut, les deux formes étant par exemple chimiquement aussi stables l’une que l’autre et ne se distinguant pas non plus l’une de l’autre par leurs propriétés physico-chimiques. Cependant, l’hypothèse selon laquelle l’interaction entre les champs électriques et magnétiques pourrait expliquer la préférence pour l’une ou l’autre des formes symétriques d’une molécule - appelées énantiomères - a été émise très tôt.

Mais ce n’est qu’il y a quelques années que les premiers indices indirects ont montré que les combinaisons les plus diverses de ces champs de force pouvaient en fait "distinguer" entre les deux images miroir d’une molécule. Et ce, en étudiant l’interaction de molécules chirales avec des surfaces métalliques qui présentent un fort champ électrique sur de courtes distances. C’est pourquoi les surfaces de métaux magnétiques comme le fer, le cobalt ou le nickel permettent de combiner différemment les champs électriques et magnétiques - il suffit d’inverser le sens de l’aimantation, de "nord en haut - sud en bas" à "sud en haut - nord en bas". Si l’interaction entre le magnétisme et les champs électriques déclenche effectivement des effets "énantiosélectifs", l’intensité de l’interaction entre les molécules chirales et les surfaces magnétiques devrait par exemple également être différente - selon qu’une molécule "droitière" ou "gauchère" se "dépose" sur la surface.

Et c’est effectivement le cas, comme l’ont récemment rapporté des chercheurs de l’Empa menés par Karl-Heinz Ernst du département "Surface Science and Coating Technologies" et des collègues de l’Institut Peter Grünberg du centre de recherche de Jülich en Allemagne dans la revue spécialisée "Advanced Materials". L’équipe a déposé sur une surface de cuivre (non magnétique) de petits "îlots" ultraminces de cobalt magnétique et a déterminé dans ces îlots la direction du champ magnétique au moyen d’une microscopie à effet tunnel à balayage polarisée par spin ; comme mentionné ci-dessus, cette direction peut être de deux types différents, perpendiculaires à la surface du métal : Nord en haut ou Sud en haut. Ils ont ensuite déposé sur ces îlots de cobalt, sous ultravide, des molécules chirales en forme de spirale d’hélice - c’est-à-dire un mélange 1:1 de molécules d’heptahélice de gauche et de droite.

Ensuite, ils ont compté - tout "simplement" et également à l’aide d’une microscopie à effet tunnel à balayage - le nombre de molécules d’hélice droites ou gauches sur les îlots de cobalt magnétisés différemment, soit près de 1’000 molécules au total. Et voilà : selon la direction de l’aimantation, c’est l’une ou l’autre forme de spirale d’hélice qui s’est installée de préférence (voir illustration, page de droite).

En outre, les expériences ont montré que la sélection - la préférence pour l’une ou l’autre forme d’hélice - ne se produit pas seulement lors de la liaison sur les îles de cobalt, mais déjà avant. Avant d’occuper leur place définitive (préférée) sur l’un des îlots de cobalt, les molécules parcourent en effet de longues distances sur la surface dans un état précurseur nettement plus faiblement lié, à la "recherche" d’une place idéale. Ce faisant, ils ne sont liés à la surface que par ce que l’on appelle les forces de van der Waals. Celles-ci sont provoquées par des fluctuations dans l’enveloppe électronique des atomes et des molécules, et sont donc des forces de liaison relativement faibles. On ne savait pas jusqu’à présent que même ces forces étaient influencées par le magnétisme, c’est-à-dire par le sens de rotation (spin) des électrons.

Grâce à la microscopie à effet tunnel à balayage, les chercheurs ont en outre pu élucider une autre énigme, comme ils l’avaient déjà annoncé en novembre dans la revue spécialisée "Small". Le transport d’électrons - c’est-à-dire le courant électrique - dépend également de la combinaison de l’orientation des molécules et de l’aimantation de la surface. Selon l’orientation des molécules liées, les électrons avec un sens de rotation (spin) circulent de préférence à travers la molécule, les électrons avec le "mauvais" spin sont donc filtrés. Cette sélectivité du spin des électrons induite par la chiralité (effet CISS, voir illustration, page de gauche) avait déjà été observée dans des études précédentes, mais on ne savait pas si un ensemble de molécules était nécessaire ou si des molécules individuelles présentaient également cet effet. Karl-Heinz Ernst et ses collègues ont maintenant pu montrer que des molécules d’hélicine isolées présentent également l’effet CISS. "Mais la physique qui se cache derrière n’est toujours pas comprise", avoue Karl-Heinz Ernst sans ambages.

Et ses résultats ne peuvent finalement pas non plus répondre complètement à la question de la chiralité de la vie, selon Karl-Heinz Ernst. Une question que Vladimir Prelog, prix Nobel de chimie et chimiste à l’EPFZ, avait déjà qualifiée d’"un des premiers problèmes de la théologie moléculaire" dans son discours du prix Nobel en 1975. Mais le chercheur de l’Empa peut tout à fait imaginer que lors de certaines réactions chimiques catalysées en surface - telles qu’elles auraient pu se produire dans la "soupe primitive" chimique - la combinaison de champs électriques et magnétiques aurait pu conduire à un enrichissement constant de l’une ou l’autre forme des différentes biomolécules - et donc, en fin de compte, à la mainmise de la vie.

C’est ainsi que se manifeste la sélectivité du spin des électrons induite par la chiralité (effet CISS) : Les électrons (e- ou boules rouges et vertes avec une flèche indiquant le spin des électrons, soit vers le haut, soit vers le bas) ayant le "mauvais" sens de rotation (spin) sont retenus ou filtrés lors de leur passage à travers des molécules en forme de spirale, selon la position des spirales (vis à gauche ou à droite), de sorte qu’un spin des électrons prédomine (à gauche de l’image, électrons avec la flèche vers le bas). Le champ électrique d’une surface métallique (E, dirigé vers le haut, à droite sur l’image) déplace les électrons dans les molécules d’heptahélice liées ; ceux-ci s’accumulent légèrement dans la partie inférieure de la molécule, près de la surface. Dans le cas des molécules chirales, les électrons de spin différent sont déplacés différemment en fonction de la position de la molécule. La molécule devient "polarisée en spin", c’est-à-dire qu’elle devient également magnétique. Selon le sens d’aimantation de la surface métallique, les molécules chirales interagissent donc différemment avec celle-ci. Dans cet exemple, la spirale violette se lie donc plus fortement à la surface que la jaune, car les spins opposés "s’attirent" (les électrons superposés de spin différent).