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Films moléculaires

Les atomes en action

Le 3 mars 2010 – Au nombre de ses réalisations scientifiques, Dwayne Miller compte la création d'un outil chirurgical révolutionnaire qui permet de filmer l'évolution de la structure des atomes et de reproduire le comportement de la matière qui se trouve profondément à l'intérieur du soleil. Pas mal pour quelqu'un qui, à l'origine, s'était fixé le simple objectif d'en apprendre davantage sur la chimie qui permet aux molécules biologiques de faire réagir les organismes vivants.

« Nous mettions au point la technologie simplement pour voir comment les atomes se déplacent en temps réel au cours d'un processus biologique, explique le chimiste de la University of Toronto appuyé par le CRSNG. C'est comme ça avec la recherche fondamentale : on ne sait jamais où elle va nous mener et on obtient des résultats inattendus. »

L'élément commun des découvertes de M. Miller est un canon à électrons commandé par laser capable d'envoyer des impulsions d'électrons extrêmement courtes qui se mesurent en femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un milliardième d'un millionième de seconde). En 2003, M. Miller et son équipe se sont servis du laser pour produire le premier « film moléculaire » doté d'une résolution assez élevée et assez rapide pour observer les mouvements des atomes lorsque des changements structuraux se produisent.

Cette percée a fait la page couverture de la revue Science et a permis aux chimistes de réaliser un rêve de longue date, soit d'observer les atomes pendant qu'ils forment ou rompent des liaisons chimiques.

« Nous avons mis au point l'outil afin de mener de nouveaux types d'expériences que personne n'était capable de réaliser. Notre équipe est probablement l'une des dernières au monde à créer ses propres lasers, précise M. Miller. Cette façon de faire les choses nous-mêmes a mené à d'importantes découvertes, ouvrant ainsi la voie à une commercialisation fructueuse. »

Par exemple, en mettant à l'essai les résultats obtenus en utilisant le laser femtoseconde à électrons sur des matériaux simples comme l'aluminium et l'eau, M. Miller a créé une technologie laser qui pourrait remplacer le scalpel traditionnel et réduire considérablement la période de rétablissement nécessaire à la suite d'une chirurgie. Traditionnellement, les lasers n'ont pas été grandement utilisés comme instruments chirurgicaux, car ils causent des dommages considérables en raison des ondes de choc qu'ils produisent et brûlent les tissus, ce qui entrave la guérison.

L'équipe de M. Miller a créé une nouvelle technologie laser qui pourrait surchauffer les molécules d'eau à l'intérieur d'un tissu biologique de manière sélective et faire une incision sans chauffer les tissus adjacents. Plusieurs études sur des animaux ont fait appel à cette technologie. Les résultats préliminaires montrent que cette dernière permet de couper le tissu sans occasionner de dommage ni la formation de tissu cicatriciel.

Parmi les applications commerciales de cette technologie, on compte l'inscription de façon efficace et peu coûteuse des marques d'identification sur les kilomètres de câblages utilisés dans les avions, afin de s'assurer que chaque câble est bien raccordé. Cette innovation en matière de sécurité a été grandement utilisée par l'industrie aéronautique.

Du côté expérimental, une des récentes percées de l'équipe a permis l'observation directe à l'échelle atomique de la formation de la « matière dense et chaude », soit un état atteint pendant une minuscule fraction de seconde en réchauffant un morceau d'or à des températures extrêmement élevées. « En fait, c'est comme si nous avions plongé la main à quelques kilomètres de profondeur dans le soleil et que nous en avions retiré un morceau de matière pour l'observer », explique M. Miller.

Toutefois, le chercheur tente toujours d'atteindre son objectif ultime : découvrir comment les protéines, ces forçats des systèmes biologiques, réussissent à diriger en toute fiabilité les processus chimiques du corps humain. Comme il s'agit de molécules très complexes, elles doivent avoir d'innombrables façons de se configurer et de réagir avec les molécules adjacentes, toutefois, elles répètent immanquablement et rapidement la même tâche. Réussir à élucider ce processus pourrait avoir des retombées inestimables pour les sciences médicales et pour d'autres domaines.

« Des règles sont codées dans ces protéines, et ce sont elles qui dictent comment les forces de réaction sont dirigées vers des coordonnées précises afin d'effectuer le travail, affirme M. Miller. Nous cherchons ces règles. Dame Nature est l'enseignante de nanotechnologie et de chimie par excellence. »