Prix Nobel de Chimie 2016 : des artistes de la Chimie !

Le Prix Nobel 2016 de Chimie a été attribué au Français Jean-Pierre Sauvage, au Britannique Fraser Stoddart et au Néerlandais Ben Ferringa. Cette édition du Nobel a été qualifiée de fondamentale, car il est vrai qu’elle récompense des travaux entrepris depuis longtemps, dont les éventuelles applications pratiques sont encore assez lointaines. Mais s’il existait un  Nobel d’esthétique ou d’architecture, nul doute que les récipiendaires l’auraient également obtenu tant l’architecture complexe des molécules qu’ils synthétisent est fascinante.

Jean-Pierre Sauvage, de l’Université de Strasbourg,  ouvre la marche en 1983. Il fait une découverte fortuite, celle d’une molécule en forme de chaîne, constituée de cycles moléculaires comme autant de maillons entrelacés. La première molécule de la famille des «caténanes» venait d’être identifiée.

Un caténane est une architecture moléculaire formée d'au moins deux macrocycles imbriqués l'un dans l'autre, formant une sorte de chaine (en latin catena). Ces deux cycles imbriqués ne peuvent pas être séparés sans casser au moins une liaison covalente d'un des deux cycles. Voici un des premiers exemple de caténane – merci wikipedia !)

Et pour le fun, un tour de force réalisé par James Fraser Stoddart, l’olympiadane, qui reproduit la structure des anneaux olypiques.

En 1994, Jacques Sauvage parvient à mettre au point une caténane dans laquelle un anneau est fixe, tandis que l’autre se déplace autour de manière contrôlée, en présence d’énergie. Il a ainsi conçu le tout premier embryon de machine moléculaire, un concept  qu’améliorera beaucoup Ben Ferringa.

Dans le bestiaire nouveau apprivoisé par les trois chimistes figurent aussi des rotaxanes, molécules constituées d'un macrocycle lié mécaniquement à un fragment moléculaire linéaire qui le traverse de part en part.

Dans un rotaxane, le macrocycle peut tourner autour de l'axe de l'haltère comme un volant ou il peut glisser sur son axe d'un site à un autre. Le contrôle de la position du macrocycle sur l’axe peut permettre au  permet au rotaxane de fonctionner comme un interrupteur moléculaire, chaque position possible du macrocycle correspondant  à un état différent de l'interrupteur. Et le mieux est qu’avec beaucoup de travail et d’ingéniosité, on peut construire des rotaxanes où les déplacement du macrocycles peuvent être contrôlées à volonté en agissant sur des paramètres chimiques ( polarité du solvant, acidité, potentiel oxydant) ou physique (action de la lumière). Il a da(illers été découvert que quelques molécules naturelles fonctionnent suivant ce principe (l'ATP synthase, peptides à nœud de cystine, cyclotides, peptides-lasso).

La synthèse de ces molécules représente un véritable défi chimique, un tour de force époustouflant.

L’approche historique, basée sur la chimie classique des polymères, a consisté en différentes stratégies de cyclisation, en espérant que tout se passe bien et que statistiquement, une partie des molécules synthétisées auront les caractéristiques voulues. Les réactions doivent être pratiquées avec de très faibles concentrations, les rendements sont minuscules. Bref, cette méthode est remplacée par des synthèses utilisant la chimie supramoléculaire, une spécialité de Strasbourg et du prix Nobel  Jean-Marie Lehn. Les molécules sont préorganisées de façon à réagir le plus possible dans le sens voulu grâce à l’emploi de  patrons moléculaires, qui, par des liaisons faibles ( liaisons hydrogène, métaux de transition) prédisposent les molécules subtstrats favorablement. Dans ces conditions, avec beaucoup de travail, de connaissance, peut-être de chance, il est possible d’arriver à des rendements élevés sur de grandes quantités.  par des interact La deuxième approche utilise une préorganisation supramoléculaire Rotaxanes et caténanes sont prêts à faire irruption dans notre monde, menant possiblement à une électronique moléculaires aux capacités étonnantes.

En attendant, fin 2016 devrait avoir lieu à Toulouse  un évènement qui montre comment ont progressé les découvertes de Sauvage, Stoddart et Ferringa. Il s’agit de la NanoCar Race, la première course internationale de molécules-voitures. Positionnées sur la ligne de départ, face à un circuit construit atome par atome sur une surface d'or, les nano-cars, qui ne font que quelques nanomètres de longueur, seront prêtes à démarrer, activées par de brèves impulsions électriques. Comme lors d'une course de Formule 1, chaque équipe devra parcourir le plus vite possible le circuit, depuis les deux atomes représentant le départ jusqu'aux deux atomes d'arrivée.

Bon, la course ne sera pas visible à l'œil nu mais pourra être suivie grâce à  un ensemble de microscopes « à effet tunnel » unique au monde, situé à Toulouse. Devraient être présentes des équipes de Toulouse, du Texas et d’Autriche, de Dresde, de l’Ohio, de Tsukuba. Voilà à quoi devrait ressembler la voiture française :

Reste une question : le long travail de chimie fondamentale qui a permis à Jean-Pierre Sauvage de développer sa chimie des moteurs moléculaires serait-il encore possible dans les temps présent, avec l’importance de la recherche finalisée et la très harassante ANR ( Agence Nationale de la Recherche) et les multiples évaluations croisées françaises et européennes, plus prores à couler des projets vraiment innovants qu’à les encourager ? Il serait intéressant de connaitre ses commentaires sur l’état actuel de la recherche en France

Le progrès prouvé par les armes chimiques

La marche vers l’horreur

L’Actualité chimique de décembre 2014 consacre un dossier intéressant aux armes chimiques. La réglementation de l’emploi des armes chimiques a une longue histoire, puisque trace en ait déjà trouvé en 1675 Dans l’accord de Strasbourg entre la Prusse et la France interdisant l’emploi de balles empoisonnées. En 1907, à la conférence internationale de la Paix, à La Haye, 44 pays adoptent des Lois de la Guerre interdisant notamment « de lancer des projectiles et des explosifs du haut de ballons, ayant pour but unique de répandre des gaz asphyxiants ou délétères ».

Dès octobre 14, la guerre prend l’aspect d’une guerre de tranchée, et les gaz paraissent efficaces pour déloger les combattants de positions autrement quasi-inexpugnables. La vérité officielle, établie après la guerre, en 1920, lors d’une conférence dit ceci : «  C’est le 22 avril 1915 qu’au mépris des engagements internationaux de La Haye, les Allemands employèrent pour la première fois, sur une grande échelle, dans la région d’Ypres, les gaz de combat sous forme de nappes » (précisément 150 tonnes de chlore dans 5830 cylindres sur un front de 6 km). Les Allemands pouvaient faire valoir qu’ils n’avaient stricto sensu pas contrevenu au traité de La Haye…). De toute façon,  le fait est que les Français, par exemple, employèrent, dès les premiers jours de combat, des cartouches  et des grenades suffocantes, au bromoacétate d’éthyle ou à la chloroacétone. L’historien Lepick a dénombré 409 attaques massives au gaz en nappes : 301 pour la Grande Bretagne, 51 pour la France, 50 pour l’Allemagne, 6 pour la Russie, 1 pour l’Autriche. Le moins qu’on puisse constater, c’est que l’horreur fut largement partagée. Les produits employés furent le Chlore, puis le Phosgène, plus toxique, inodore et aux effets retardés. Furent ensuite employés par les différents protagonistes des obus chargés de lachrymogène (bromoacétone, bromure de xylyle, cyanure de bromobenzyle, arsines sternutatoires, puis ypérite.

En 1922, la Conférence de Washington  sur les armements maritimes interdit l’utilisation de gaz toxiques. Elle est suivie par la Protocole de Genève de 1925, déposé en France qui prohibe l’utilisation des gaz toxiques, asphyxiants ou similaires ; l’utilisation, mais pas le stockage, ni la riposte en cas de première utilisation par l’adversaire. Les armes chimiques continuent donc à se développer et apparaissent les neurotoxiques comme le tabun le sarin ou le zyklon B. Elles ne seront cependant pas utilisées pendant la Seconde Guerre mondiale, sauf pendant la guerre sino-japonaises, mais on sait l’usage qu’en feront les criminels nazis. Après la guerre, lors de la guerre froide, les deux principales puissances continuent à concevoir des armes chimiques encore plus puissantes (agents VX, VR, autres toxines. L’idée s’impose progressivement qu’elle ne seront pas utilisées et qu’il vaudrait meiux les détruire

La longue marche vers l’interdiction et le Prix Nobel

En 1968-1971, dix-huit Etats constituent un Comité sur le désarmement et se proposent d’interdire les armes biologiques et chimiques. C’est en 1983 l’utilisation d’armes chimiques par l’Irak (lors de la guerre Irant Irak, puis contre les Kurdes), qui incite en 1984 l’URSS et les USA  à conclure un accord bilatéral qui sera ensuite étendu à d’autres nations. En 1992 est finalement proposé la CIAC, (Convention sur l’interdiction des armes chimiques) qui interdit la mise au point de nouveaux composés, et met en œuvre le contrôle du stockage, la destruction des stocks et des installations de fabrications, l’assistance à la destruction et la protection des Etats signataires. Les Etats parties se déclarent « résolus, dans l’intérêt de l’humanité tout entière, à exclure complètement la possibilité de l’emploi des armes chimiques ». La CIAC entre en vigueur fin 1996 avec la signature par 87 Etats ; en 2013, c’est 190 Etats sur 186 qui ont signé et ratifié la CIAC ( manquent encore l’Angola, l’Egypte, la Corée du Nord et la Somalie, 2% de la population mondiale).

Apparait alors l’OIAC, l’Organisation pour l’Interdiction des Armes Chimiques, chargé de la mise en œuvre de la Convention, qui comprend 500 fonctionnaires dont 200 inspecteurs. Sont surveillés les armes chimiques elles-mêmes, les précurseurs utilisés en faible tonnage, (tableau2), les précurseurs utilisés en fort tonnage, avec pour difficulté qu’un produit comme le dichlorure de soufre est utilisé par tonnes pour fabriquer des lubrifiants ou vulcaniser le caoutchouc. Environ 3400 composés chimiques sont ainsi surveillés à l’échelle internationale.

Un rôle particulier de l’OIAC consiste à enquêter sur les allégations d’emploi d’armes chimiques, sur le terrain. Ce fut notamment le cas en Syrie en 2013, où les armes chimiques ont été employées sans doute pour la dernière fois dans un conflit , et ont fait un peu plus d’un millier de morts. L’indignation générale, l’accord imposé par les US et la Russie sur la destruction du stock syrien permit à l’OIAC de démontrer son efficacité et son savoir-faire.

Cette action fut récompensée par un Prix Nobel de la Paix en 2013. C’est une longue, obscure mais efficace  action qui a été ainsi récompensée, et qui est presque terminée. Lors de la cérémonie, le Directeur Général Ahmet Uzumcu, ne lâcha pas le morceau : il fit remarquer que le succès n’était pas encore complet, que la date d’avril 2012 pour la destruction de toutes les armes chimiques déclarées n’avait pas été respectées, qu’il en restait encore 20%, principalement américaines et russes, et que les deux grands pouvoirs, si désireux de voir les autre pays détruire leur stock, se devaient de s’appliquer à eux-mêmes la même hâte : « Please speed up the process ! »)

Quand les armes chimiques déclarées ou non seront réduites, il restera à mettre en place une surveillance efficace de toutes les installations civiles sensibles et des flux de produits pour empêcher des terroristes de fabriquer eux-mêmes des armes chimiques.

Mais le monde s’approche bien près du but de la CIAC et de l’OIAC : la disparition totale des armes chimiques. Un progrès a eu lieu, pour toute l’Humanité

Josette Fournier, Actualité Chimique, décembre 14 ; Jean-Claude Tabet, Actualité chimique, décembre 14

Serge Haroche : le Prix Nobel, la Physique quantique et l’organisation de la recherche

Serge Haroche : le Prix Nobel, la Physique quantique et l’organisation de la recherche

La Recherche française a encore été à l’honneur cette année, avec le Prix Nobel de physique accordé à Serge Haroche. Formé à l’Ecole Normale Supérieure, entré au CNRS à 23ans, il a enseigné à Polytechnique, à Harvard, à Yale, au Collège de France, et a dirigé le laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure, pépinière de Prix Nobel avec Claude Cohen-Tannoudji et Alfred Kastler, une filiation d’excellence.

La physique quantique, ses paradoxes, et comment l’enseigner.

Serge Haroche a été récompensé pour ses travaux en physique quantique, en particulier pour des expériences – des tours de force technologiques - portant sur des atomes ou photons isolés, permettant d’une part une meilleure compréhension des principes contre-intuitifs de cette science, et d’autre part, d’envisager des instruments de mesure et des ordinateurs incomparablement plus puissants et plus précis que ceux existants.

La physique quantique est née en 1906 avec l’explication par Einstein de l’effet photoélectrique, l’émission d’électrons sous l’influence de la lumière ; celle-ci ne se produit que pour certaines longueurs d’ondes (énergies) précises dans un matériau donné. Cela ne pouvait s’expliquer par la conception ondulatoire de la lumière, qui avait triomphé depuis la compréhension des phénomènes d’interférences et a conduit à une conception particulaire rénovée (les photons, particules de lumière).

Alors est apparue progressivement  une nouvelle physique, s’appliquant à des dimensions très petites, qu’Einstein a en partie refusée « Dieu ne joue pas aux dés ! »), tant elle est contraire à nos intuitions du monde physique et bouleverse nos manières de raisonner.

Ainsi, parmi les principaux paradoxes ou principes contre-intuitifs de la physique quantique :

- Le principe d’indétermination : nous ne pouvons pas connaître simultanément, avec une précision totale, certaines quantités, par exemple la vitesse et la position d’une particule – si ce mot a encore un sens ; plus on connaît précisément l’une, plus l’imprécision est grande sur l’autre

- L’implication de l’observateur et la dualité onde particule : l’expérimentateur  influe sur le résultat de l’expérience (la physique quantique n’est pas « réelle », il n’ y a que des observations) ; ainsi la lumière peut apparaître sous forme de photon (particule) ou sous forme d’onde, suivant la manière dont on l’observe, et parfois, dans la même expérience, successivement sous l’une ou l’autre de ces formes. Inversement, l’atome  (la matière) peut aussi se manifester sous forme d’onde…

- La non-localité : des particules ayant interagi dans la passé restent en interaction, et une mesure effectuée sur l’une a un effet immédiat sur les autres,  même si aucune information ne peut être transmise de l’une à l’autre.

- La quantification de certaines variables, notamment l’énergie. L’énergie, par exemple celle d’un électron dans un métal, est discontinue, elle ne peut prendre que certaines valeurs multiples d’une valeur fondamentale. C’est l’explication de l’effet photoélectrique, et l’existence de « grains », des « quantas » d’énergie a donné son nom à la théorie.

- Le déterminisme est aussi remis en question par la physique quantique ; ainsi, dans l’expérience de pensée née d’une discussion entre Einstein et Schrödinger, un chat est enfermé dans un cage hermétique où du cyanure peut être libéré – ou pas - à tout moment de manière aléatoire. Tant qu’un observateur n’a pas ouvert la cage pour constater l’état du chat, celui-ci, dans la conception quantique, n’est ni mort, ni vivant, mais dans un état de superposition mort-vivant…

Physique quantique et culture générale

Reste à savoir comment l’on passe de ce monde quantique des particules au monde physique que nous connaissons, et cette question – la décohérence quantique – reste un sujet de recherche.

L’un de ses plus prestigieux spécialistes, Richard Feynman, a pu déclarer : « Personne ne comprend vraiment la physique quantique », tant celle-ci est contre-intuitive. L’interprétation peut-être la plus rassurante est une interprétation positiviste, défendue notamment par Niels Bohr et Stephen Hawking, qui consiste à dire que la physique quantique n’a pas la prétention de représenter la réalité, si même ce concept a un sens, mais qu’elle permet simplement de relier des observations entre elles. C’est en effet l’esprit même du positivisme comtien, qui s’interdit la considération de causes premières ou de fins ultimes pour se contenter de relier des phénomènes à l’aide de lois, et qui, d’autre part, considère que la science, c’est l’interprétation du monde par l’homme- une synthèse subjective.

Dans l’enseignement français, on considère généralement que la physique quantique ne peut être enseignée qu’à des étudiants ayant déjà atteint un très bon niveau scientifique. Il est vrai qu’elle exige la maîtrise de mathématiques élaborées, et surtout une solide culture scientifique et physique. Un esprit critique aussi, car la physique quantique se prête en effet à nombre de dérives mystiques douteuses, d’entreprises malhonnêtes de détournement dans lesquelles les concepts quantiques servent la confusion, le jargon et l’intimidation, telles que dénoncées pat l’ article canular de Sokal et Bricmont prétendant fonder la sociologie sur des concepts quantiques.

Pourtant, une vulgarisation intelligente de la physique quantique est possible, comme l’ont prouvé George Gamow puis Russel Stannard, avec les Aventures de M. Tomkins. Alors, faut-il enseigner la physique quantique dans le secondaire ?  Des sondages régulièrement commandés par la revue La Recherche montrent que la science continue à bénéficier d’une forte aura, mais que les Français connaissent peu les chercheurs, et les pratiques réelles de la recherche et ses enjeux. L’enseignement secondaire devrait donner à tous, scientifiques, mais aussi littéraires, au moins une idée générale des principales méthodes, résultats et problématiques des différentes sciences, bref donner une culture scientifique solide et générale, qui pourrait passer par le biais d’un enseignement de l’histoire des sciences.

Serge Haroche et l’organisation de la recherche

Comme ses prédécesseurs des dernières années, Albert Fert et Jules Hoffmann, Serge Haroche insiste sur l’importance de la recherche fondamentale, « socle sur lequel tout le reste est possible », et s’inquiète d’une dérive, d’un curseur poussé trop loin vers une recherche pilotée par ses applications potentielles, avec une volonté néfaste et impossible de planification et un incroyable alourdissement bureaucratique entraîné par la recherche de financements finalisés, la complexité et l’intrication non pas quantique mais bureaucratique des diverses agences françaises et européennes. Il défend aussi la qualité et l’intérêt des grands organismes de recherches (CNRS, CEA, INSERM) que certains voulaient déposséder de leur rôle dans le pilotage de la recherche pour les transformer en agences de moyens au service des Universités. Ce système, cet environnement, ainsi que cela est reconnu même par les plus grands chercheurs étrangers, a permis à nombre de jeunes scientifiques de se développer avec une liberté importante, la possibilité de travailler avec «des salaires décents au départ, et des perspectives de carrière et de promotion décentes », qui permettent de « consacrer son esprit aux choses qui vous passionnent sans avoir à lutter pour avoir des moyens ». Ce n’est plus le cas aujourd’hui, et c’est le défi principal du gouvernement que de recréer les conditions qui ont permis à la France d’engranger aujourd’hui de réels et prestigieux succès scientifique.