Prix de thèse en cotutelle: la chiralité ou l’observation de molécules miroirs

Marie-Hélène Alarie Collaboration spéciale
À l’aide de la spectroscopie ultrarapide, le physicien Samuel Beaulieu travaille à immortaliser des électrons.
Photo: iStock À l’aide de la spectroscopie ultrarapide, le physicien Samuel Beaulieu travaille à immortaliser des électrons.

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En excellent vulgarisateur qu’il est, Samuel Beaulieu compare d’emblée les molécules à des blocs Lego qui à eux seuls composeraient tout notre univers. Puis il entre dans le vif du sujet, soit la chiralité desdites molécules : « La chiralité est une propriété de symétrie ; nos deux mains sont chirales parce que l’image de notre main droite dans un miroir est la même que celle de notre main gauche. Pourtant, on ne peut pas mettre un gant gauche sur une main droite. Nos deux mains ne sont donc pas superposables, et c’est la même chose pour les molécules chirales ».

Ce détail n’est pas anodin, et étudier les molécules chirales est primordial dans différents domaines comme la chimie, la physique, la biologie et la médecine. Si intuitivement, on peut se dire que deux molécules qui sont l’image miroir l’une de l’autre vont avoir des propriétés similaires, on se trompe : « l’image miroir de la molécule du crystal meth [méthamphétamine en cristaux] est celle qui est utilisée dans le décongestionnant nasal », explique Samuel Beaulieu.

Un autre exemple est celui de la thalidomide, ce médicament contre la nausée que l’on donnait aux femmes enceintes dans les années 1950 et 1960. Il a provoqué de nombreuses et graves malformations congénitales parce qu’il « contenait malheureusement les deux formes de molécules ; l’une, efficace contre les nausées, l’autre qui provoquait les malformations », ajoute-t-il.

Après un baccalauréat en chimie à l’Université de Sherbrooke, Samuel Beaulieu se joint à la maîtrise au laboratoire de François Légaré, à l’INRS-EMT, pour effectuer des recherches à l’interface de la physico-chimie moléculaire et de la physique des lasers ultrarapides. Et c’est en 2014 qu’on le retrouve à l’Université de Bordeaux, où il amorce une thèse en cotutelle avec l’INRS-EMT. C’est ici qu’il s’intéresse à l’interaction entre des impulsions laser ultrabrèves et les molécules chirales et, plus spécifiquement, le mouvement des électrons à l’intérieur de ces molécules.

C’est à l’aide de la spectroscopie ultrarapide que le physicien travaille pour immortaliser ses électrons : « On utilise le laser, une lumière qu’on est capable de générer en flashs extrêmement courts puisqu’ils durent un milliardième de milliardième de seconde, soit une attoseconde », explique-t-il. L’objectif ici est de développer cette nouvelle technique afin de mieux comprendre ce qui se passe à l’intérieur des molécules chirales. Pour les besoins de l’expérimentation, l’équipe a d’abord opté pour une molécule simple : « Nous souhaitions trouver la plus petite molécule qui ne serait dangereuse ni pour nous ni pour notre équipement », raconte le chercheur. Le camphre s’est avéré posséder des molécules idéales pour l’observation.

Samuel Beaulieu ne s’en cache pas, cette recherche fondamentale est d’abord motivée par la curiosité : « Grâce à ces flashs ultrarapides, on observe des choses qui nous étaient auparavant complètement inaccessibles. Pour un physicien, c’est fascinant ; il y a à peine dix ans, on m’avait dit que voir des électrons bouger dans des molécules était impossible. »

Les travaux de Samuel Beaulieu ont mené à plusieurs publications dans des journaux scientifiques tels que Science, Nature Physics et Physical Review Letters. De plus, ils lui ont valu une place dans le top 10 des découvertes scientifiques de l’année 2018 dans la revue Québec Science. Et s’il lance un peu à la blague que cette recherche ne sert que la curiosité, elle s’avère d’une importance capitale quand vient le temps de comprendre la transformation de la matière. Toujours très prosaïque, notre chercheur donne l’exemple de la fabrication du vin où, lorsqu’on mélange du sucre avec des levures, on obtient de l’alcool : « On n’a plus seulement une photo avant et une autre après la transformation, on peut rêver qu’on sera bientôt capable d’observer en temps réel la matière se transformer. »

Depuis juin 2018, le jeune chercheur effectue un stage postdoctoral à l’Institut Fritz-Haber de la Société Max-Planck de Berlin sur la dynamique ultrarapide dans la matière condensée. « On utilise la technologie développée à Montréal, à Bordeaux et ici en Allemagne », dit-il.

Grâce à genre de recherche où l’on pousse la technologie à des limites encore jamais atteintes, peut-être « que dans 50 ans, ça aura des répercussions extrêmement importantes dans un domaine qui n’aura absolument rien à voir », conclut Samuel Beaulieu.