Le phénomène déroutant de l’homochiralité dans la vie, où les biomolécules n’existent que sous l’une des deux formes d’image miroir, reste inexpliqué malgré l’attention historique de personnalités scientifiques comme Pasteur, Lord Kelvin et Pierre Curie. Des recherches récentes suggèrent que la combinaison de champs électriques et magnétiques pourrait influencer cette préférence grâce à des expériences montrant des effets énantiosélectifs sur les molécules chirales interagissant avec des surfaces magnétisées, offrant ainsi des preuves indirectes pour comprendre ce mystère.
Le phénomène connu sous le nom d’homochiralité de la vie, qui fait référence à la présence exclusive de biomolécules dans l’une de leurs deux configurations possibles en image miroir au sein des organismes vivants, a intrigué plusieurs personnalités scientifiques. Cela inclut Louis Pasteur, le premier à avoir identifié la chiralité moléculaire, William Thomson (également connu sous le nom de Lord Kelvin) et Pierre Curie, lauréat du prix Nobel.
Une explication concluante fait encore défaut, car les deux formes ont par exemple la même stabilité chimique et ne diffèrent pas 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 forme d’image miroir d’une molécule – appelées énantiomères – a émergé très tôt.
Il y a seulement quelques années, cependant, la première preuve indirecte est apparue que les différentes combinaisons de ces champs de force peuvent effectivement « distinguer » les deux images miroir d’une molécule. Ceci a été réalisé en étudiant l’interaction de molécules chirales avec des surfaces métalliques qui présentent un fort champ électrique sur de courtes distances.
Si seules des spirales hélicènes gauches sont déposées sur la surface cobalt-cuivre, elles préfèrent clairement les îlots de cobalt avec une certaine direction d’aimantation. Sur l’image, les deux îlots triangulaires de cobalt ont une magnétisation opposée ; les molécules d’hélicène gauches se lient presque exclusivement à l’île de droite et évitent l’île de gauche (à l’exception de quelques molécules au bord de l’île). Crédit : Institut Peter Grünberg/Jülich
Les surfaces des métaux magnétiques comme le fer, le cobalt ou le nickel permettent ainsi de combiner les champs électriques et magnétiques de diverses manières – le sens de l’aimantation est simplement inversé, 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 », alors la force de l’interaction entre les molécules chirales et les surfaces magnétiques devrait également différer, par exemple – selon qu’une molécule droite ou gauche « se dépose » sur la surface.
Les images miroir préfèrent les champs magnétiques opposés
Et c’est effectivement le cas, comme l’a récemment rapporté dans la revue scientifique une équipe de chercheurs dirigée par Karl-Heinz Ernst du laboratoire Sciences des surfaces et technologies de revêtement de l’Empa et ses collègues de l’Institut Peter Grünberg du Forschungszentrum Jülich en Allemagne. Matériaux avancés. L’équipe a recouvert une surface de cuivre (non magnétique) de petits « îlots » ultra-minces de cobalt magnétique et a déterminé la direction du champ magnétique dans ceux-ci à l’aide de la microscopie à effet tunnel à balayage polarisé ; comme mentionné précédemment, cela peut s’étendre dans deux directions différentes perpendiculaires à la surface métallique : nord vers le haut ou sud vers le haut. Ils ont ensuite déposé des molécules chirales en forme de spirale – un mélange 1:1 de molécules d’heptahélicène gauche et droite – sur ces îlots de cobalt dans un vide ultra poussé.
Ensuite, ils ont « simplement » compté le nombre de molécules d’hélicène droites et gauches sur les îlots de cobalt différemment magnétisés, soit près de 800 molécules au total, toujours en utilisant la microscopie à effet tunnel. Et voilà : en fonction de la direction du champ magnétique, l’une ou l’autre forme des spirales hélicènes s’était installée préférentiellement (voir côté droit du graphique).
C’est ainsi que se manifeste la sélectivité de spin induite par la chiralité (effet CISS) : les électrons (sphères e– ou rouges et vertes avec des flèches indiquant le spin de l’électron, vers le haut ou vers le bas) avec le « mauvais » sens de rotation (spin) sont retenus ou filtré lors du tunneling à travers des molécules en spirale, en fonction du caractère droit des spirales (gauche ou droite), de sorte qu’un type de spin électronique prédomine (électrons avec la flèche pointant vers le bas sur le côté gauche). Le champ électrique d’une surface métallique (E, pointant vers le haut, côté droit) déplace les électrons dans les molécules heptahéliques 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 avec des spins différents sont également décalés différemment en fonction de la nature de la molécule. La molécule devient « polarisée en spin », c’est-à-dire également magnétique. Selon la direction d’aimantation de la surface métallique, les molécules chirales interagissent donc avec elle à des degrés différents. 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 rouge et vert avec des spins différents se superposant). Crédit : Empa
De plus, les expériences ont montré que la sélection – la préférence pour l’un ou l’autre énantiomère – ne se produit pas seulement lors de la liaison sur les îlots de cobalt, mais déjà avant. Avant que les molécules n’atteignent leur position finale (préférée) sur l’un des îlots de cobalt, elles migrent sur de longues distances à travers la surface du cuivre dans un état précurseur lié nettement plus faible, à la « recherche » d’une position idéale. Ils ne sont liés à la surface que par les forces dites de Van der Waals. Celles-ci sont simplement provoquées par des fluctuations de la couche électronique des atomes et des molécules et sont donc relativement faibles. Le fait que même ceux-ci soient influencés par le magnétisme, c’est-à-dire le sens de rotation (spin) des électrons, n’était pas connu jusqu’à présent.
Les électrons avec le « mauvais » spin sont filtrés
Grâce à la microscopie à effet tunnel, les chercheurs ont également pu résoudre un autre mystère, comme ils l’ont rapporté dans la revue Small en novembre dernier. Le transport des électrons – c’est-à-dire le courant électrique – dépend également de la combinaison de la manipulation moléculaire et de la magnétisation de la surface. En fonction du caractère manuel de la molécule liée, les électrons ayant une direction de spin circulent préférentiellement – ou « tunnel » – à travers la molécule, ce qui signifie que les électrons ayant le « mauvais » spin sont filtrés.
Cette sélectivité de spin induite par la chiralité (effet CISS, voir côté gauche du graphique) avait déjà été observée dans des études antérieures, mais il restait difficile de savoir si un ensemble de molécules était nécessaire pour cela ou si des molécules individuelles présentaient également cet effet. Ernst et ses collègues ont désormais pu montrer que certaines molécules d’hélicène présentent également l’effet CISS. « Mais la physique derrière tout cela n’est toujours pas comprise », admet Ernst.
Le chercheur de l’Empa estime également que ses découvertes ne pourront finalement pas répondre pleinement à la question de la chiralité de la vie. En d’autres termes, la question que le prix Nobel de chimie et chimiste de l’ETH, Vladimir Prelog, a décrite comme « l’un des premiers problèmes de la théologie moléculaire » lors de sa conférence pour le prix Nobel en 1975. Mais Ernst peut imaginer que dans certaines réactions chimiques catalysées en surface – comme celles qui auraient pu se produire dans la « soupe primordiale » chimique des premiers temps de la Terre – une certaine combinaison de champs électriques et magnétiques aurait pu conduire à une accumulation constante d’une forme ou d’une autre des différentes biomolécules – et donc finalement à la gratuité de la vie.
