L’imagerie moléculaire comme un film

Pierre Vallée Collaboration spéciale
Vue d’une partie du laboratoire de sources femtosecondes de l’INRS
Photo: Josée Lecompte Vue d’une partie du laboratoire de sources femtosecondes de l’INRS

Ce texte fait partie d'un cahier spécial.

Prenons une molécule simple, comme l’acétylène (C2 H2) dont la structure est linéaire (H-C-C-H). Excitons cette molécule en lui faisant absorber de l’énergie, soit des photons. Cela provoque une réaction chimique et la molécule perd sa structure linéaire et adopte plutôt une structure triangulaire, ce qui transforme la molécule d’acétylène en une molécule de vinylidène. Imaginons maintenant que cette réaction chimique a pu être filmée. Truc de prestidigitateur ?

Eh bien non, il s’agit d’une expérience réussie par François Légaré, chercheur et professeur au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS. L’expérience sur la molécule d’acétylène a été réalisée dans le Laboratoire de sources femtosecondes (Advanced Laser Light Source ou ALLS) du centre situé à Varennes.

« Nous avons réussi à filmer le bris et la formation de liaisons chimiques induites par des photons », explique François Légaré, dont l’un des champs d’expertise est la photochimie qui porte sur l’interaction entre la lumière et les molécules chimiques. Bien que concluantes, ces expériences, de l’aveu même de François Légaré, ne sont pas entièrement satisfaisantes. « Nous avons réussi parfaitement à déterminer le mouvement et la position des atomes, poursuit-il, mais pour ce qui est du déplacement et de la position des électrons, nos résultats sont moins précis. »

Mais en quoi est-il important de déterminer le déplacement et la position des électrons ? « Parce que les électrons sont la colle des liens chimiques, explique-t-il. Lors d’une réaction chimique, des liens chimiques se brisent et se forment, ce qui implique que les électrons, la colle, se réarrangent aussi. »

Et pourquoi filmer les électrons et les noyaux ? « Parce que cela va permettre d’augmenter notre capacité à mieux comprendre le fonctionnement des réactions chimiques », souligne-t-il.

Difficultés technologiques

Mais filmer une réaction chimique à la hauteur des électrons et des noyaux pose une série de défis technologiques. D’abord, nous sommes ici dans le monde de l’ultra-petit et surtout de l’ultra-rapide. Par exemple, l’électron d’un atome d’hydrogène peut faire le tour complet de l’atome en 152 attosecondes. Rappelons qu’une attoseconde est un milliardième d’un milliardième de seconde, soit 10-18 seconde. « Pour pouvoir saisir et filmer une réaction chimique qui se déroule dans des durées aussi courtes, explique François Légaré, il faut être en mesure de pouvoir produire et émettre des pulsations lumineuses, ou flashs, de durées similaires. »

Et pour compliquer la chose, l’émission d’une seule pulsation lumineuse ne suffit pas, il faut être en mesure d’en émettre deux, et ces deux pulsations doivent être parfaitement synchronisées. « C’est que la première pulsation lumineuse sert à déclencher la réaction chimique, précise-t-il, et la deuxième pulsation lumineuse sert à sonder la réaction chimique. »

Pour réaliser ce haut fait d’armes, François Légaré s’est tourné vers la technologie des lasers. Il existe plusieurs sortes de lasers ayant différentes fonctions, allant de la chirurgie ophtalmologique à la métallurgie en passant par l’épilation. Mais les principes de base demeurent les mêmes.

Le principal principe physique du laser provient de la physique quantique et se nomme l’émission stimulée. Lorsqu’un atome absorbe un photon, il devient excité. Pour revenir à son état fondamental, il doit émettre un photon de la même longueur d’onde que celui absorbé. C’est l’émission spontanée.

L’émission stimulée se produit lorsqu’un atome excité reçoit un photon dont la longueur d’onde aurait permis de l’exciter s’il avait été dans son état fondamental ; ce photon peut alors déclencher une sorte de désexcitation de l’atome. L’atome va alors émettre un second photon, de même longueur d’onde que celui qu’il a reçu, mais dans la direction et la même phase que le premier. L’atome excité devient alors une sorte de photocopieuse à photons.

Un laser comprend essentiellement trois principaux éléments : une source d’énergie, un milieu amplificateur, c’est-à-dire une cavité dans laquelle se trouvent les atomes à exciter, et un jeu optique, des miroirs, qui permet des allers-retours de la lumière dans le milieu à exciter. En résulte l’émission d’un rayon lumineux composé de photons qui sont de même nature et qui vont dans le même sens.

Pour arriver à fabriquer un laser capable d’émettre un rayon à pulsation courte, François Légaré et son équipe se sont servis d’un laser de table qu’ils ont ensuite transformé, d’abord en adoptant un autre mode et milieu d’amplification et en modifiant le jeu optique. « Cela nous a permis de mettre en place un laser qui émet des pulsations lumineuses de l’ordre de la femtoseconde », précise François Légaré, la femtoseconde étant le degré qui précède l’attoseconde.

Few-cycle inc.

Le laser développé par François Légaré a non seulement permis à ce dernier de réaliser ses expériences d’imageries moléculaires, mais il a aussi fait des petits. En effet, un ancien associé de recherche, Bruno Schmidt, a fondé une entreprise, few-cycle inc., afin de commercialiser ce type de laser.

« Lorsque l’on va dans un laboratoire étranger, par exemple, en Allemagne, l’on constate qu’un fort pourcentage des instruments est d’origine allemande. Par contre, dans nos laboratoires, la majorité des instruments est importée. Pourquoi ne pas commercialiser nos propres inventions ? C’est ce que cherche à faire few-cycle. »

La clientèle visée en est une de créneau. « Few-cycle cherche à vendre ce laser à d’autres chercheurs universitaires qui pourraient mettre à profit cet instrument pour leurs propres recherches, précise-t-il. Et cela ne concerne pas que l’imagerie moléculaire ; d’autres disciplines, je pense notamment à celle des matériaux condensés, pourraient s’en servir. »