Les petits béchers font les grandes expériences !

 Un jour un grand homme a dit :

"Chemistry is, well technycally, chemistry is the study of matter. But I prefer to see it as the study of change." WW

(La chimie c'est, et bien techniquement, la chimie c'est l'étude de la matière. Mais je préfère l'envisager comme l'étude de ce qui change.)

# musique de tambours #

Résumons rapidement Breaking Bad en quelques mots : chimie, enquêtes policières, drames familiaux, cancer, trafiques d'argent, de drogues, crimes...tout ça tout ça ! Bref un joyeux mélange explosif.

Attention ceci est une alerte spoiler de niveau 4 ! Restez calme, ceci n'est pas un exercice ! Je répète alerte spoiler niveau 4 !

Etudions la chimie de l'épisode 1 de la saison 1.

Walter contribue à un prix Nobel

Dans la maison de Walter on peut voir dès l'épisode 1 l'affiche suivante :

Breaking bad, saison 1 épisode 1

Sur cette affiche, il est précisé que Walter a contribué au prix Nobel de Chimie de 1985. Ce prix Nobel a été décerné aux professeurs Herbert A. Hauptman et Jerome Karle pour leur "développement de méthodes directes de détermination des structures cristallines."

Précisons un peu tout cela :

Tout d'abord qu'est-ce qu'une structure cristalline ? 

Dans structure cristalline on peut repérer le mot cristal (comme dans "crystal meth"). Un cristal c'est un solide dont les éléments (atomes, ions, molécules...) sont organisés selon un motif qui se répète un grand nombre de fois. Des cristaux bien connus sont : la neige, les pierres précieuses, le sucre, le sel, les métaux... et aussi la méthamphétamine sous sa forme pure, qui lui vaudra le surnom de "crystal meth".

La structure cristalline c'est donc tout simplement la manière dont sont organisés les éléments de notre cristal (atomes, ions, molécules...).

Structure cristalline du sel, de formule NaCl (s), agencement régulier et périodique d'ions Na⁺ et Cl^-  :

Ci-dessous la structure cristalline de la méthamphétamine, de formule C₁₀H₁₆NCl, cela n'est peut-être pas super visible mais les molécules sont organisées périodiquement dans l'espace. On en reparlera bientôt ;).

Quelle est l'importance de connaitre ces structures ?

En chimie bien connaitre les structures cristallines est primordial, cela revient à avoir une photo 3D précise de notre cristal. En biochimie par exemple il est important de connaitre l'agencement dans l'espace et la structure de grosses molécules comme des protéines ou des enzymes pour comprendre leur mode d'action.

Comment fait-on pour déterminer ces structures ?

Pour obtenir des informations sur la structure d'un objet on utilise la lumière. En regardant comment cette lumière aura été modifiée après avoir interagit avec notre cristal on pourra en déduire la structure du cristal.

L'interaction lumière-matière qui nous intéresse ici c'est la diffraction. Notre cristal possède un agencement périodique d'atomes (par exemple), ainsi chaque atome va constituer "un obstacle" pour la lumière.

Chaque atome va donc diffracter la lumière dans certaines directions de l'espace et on obtient donc une figure d'interférence que l'on peut analyser. (Pour ceux qui connaissent cela fonctionne comme un réseau).

Schéma de fonctionnement de la diffraction des rayons X sur un cristal

Cependant pour pouvoir se diffracter (interagir) avec les atomes, la lumière doit avoir une longueur d'onde du même ordre de grandeur que nos atomes (environ 10^-10 m). Dans le cas contraire notre lumière "évite" en quelque sorte l'obstacle.

A savoir : la longueur d'onde notée λ, c'est la distance que parcoure l'onde pendant sa période. Plus la longueur d'onde est faible, plus l'onde possède une énergie importante. (La fameuse formule E = hc/λ).

Pour que la longueur d'onde corresponde il faut donc utiliser des rayons X, qui possèdent une petite longueur d'onde (environ 10^-10 m). Une petite longueur d'onde signifie grande énergie, il n'est donc pas prudent de s'exposer longtemps aux rayons X.

L'analyse des rayons diffractés va nous donner des informations sur la structure du cristal. Et l'information qui intéresse le plus les chimistes c'est la densité électronique du cristal.

La densité électronique c'est comment les électrons se répartissent au sein du cristal. On peut en déduire la position moyenne de nos atomes, leur nature, les types de liaisons entre ces atomes...c'est vraiment surpuissant comme information !

Cependant le chimiste fait alors face à un problème majeur en science physique : le problème de phase ! Et c'est là que le prix Nobel de 1985 intervient.

Le problème de phase

La phase d'une onde c'est en quelque sorte son retard par rapport à une autre onde, ou un autre groupe d'onde : on parle de différence de phase.

Ce retard entre les ondes est de l'ordre de grandeur de leur période. Pour les rayons X, la période est très petite et vaut environ T = 3*10-¹⁹ s.

Pour pouvoir observer un retard de cet ordre de grandeur (et donc mesurer la différence de phase), il faut que l'on ait un appareil qui prenne des photos toutes les 3*10-¹⁹ s. Il est impossible d'avoir un appareil avec une telle précision. Ainsi on ne peut mesurer la différence de phase des rayons X diffractés, l'information sur la phase est alors moyennée dans les images que l'on obtient.

Or sans la phase on ne peut obtenir la densité électronique du cristal et donc on ne peut déterminer précisément la position des atomes et leur agencement dans l'espace.

(La densité électronique s'obtient en faisant une transformée de Fourrier inverse de l'onde diffractée, sans phase on a accès à une quantité réelle et on ne peut donc pas faire de transformée de Fourrier)

La solution du chimiste : la fameuse méthode directe ! Prix Nobel de 1985.

La méthode directe

La méthode directe s'appelle ainsi car elle permet de déterminer la densité électronique directement des données collectées.

Son principe est simple : il faut déterminer les différences de phases des ondes diffractées. Pour cela deux hypothèses sont réalisées :

1. La densité électronique de notre cristal est toujours positive ou nulle en tout point du cristal.

Cette hypothèse est très valable, en effet la densité c'est le nombre d'électrons par unité de volume. Les électrons existent (densité positive) ou n'existe pas (densité nulle).

2. Il faut qu'un grand nombre de mesure de l'intensité soit réalisé.

En effet pour déterminer la différence de phase, Hauptman et Karle utilisent des équations dont la validité n'est que statistiquement probable. Avec un grand nombre de mesure devant le nombre d'équation on va statistiquement tendre vers des phases plus "justes".

Et Walter White dans tout ça ?

Sur l'affiche il est précisé que Walter a travaillé sur "the proton radiography", c'est à dire sur la radiographie des protons ;). Mais dis-moi Jamie c'est quoi une radiographie ?

Et bien c'est très simple :

La radiographie classique fonctionne un peu comme des ombres chinoises, on envoie un faisceau de rayons X sur la zone du corps humain que l'on veut observer. Les différents organes traversés vont plus ou moins absorber les rayons X, et on récupère une image avec un détecteur à la sortie du corps humain.

Les organes ayant fortement absorbés les rayons X apparaîtront en noir sur la radio (les os), et ceux n'ayant pas absorbés (tissus mous) apparaîtront en blanc. On obtient en quelque sorte "une ombre chinoise" de nos os.

Première radiographie de l'histoire prise le 22 décembre 1895

 Mais quid de la radiographie des protons ?

Les protons sont capables de pénétrer beaucoup plus dans la matière que la lumière et donc que les rayons x, on peut donc supposer obtenir des images d'objet qui absorbaient beaucoup trop les rayons X.

Cependant les premières radios obtenues avec cette méthode sont peu prometteuses : les images sont floues. Ce problème vient de la diffusion des protons lorsqu'ils se déplacent dans un objet, en raison de leur charge électrique.

De plus la radiographie des protons est encore peu employée aujourd'hui, produire un faisceau de proton coûte en effet relativement cher.

Il est difficile de voir comment Walter White aurait pu contribuer au prix Nobel de 1985, même si les deux champs d'études sont liés, l'objectif étant d'obtenir des images ou des informations sur la structure de la matière.

Si vous avez des idées sur la manières dont Walter aurait pu participer à ce prix Nobel, n'hésitez pas à le mettre dans les commentaires :)

Bibliographie

• Le site officiel des prix Nobel : http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1985/press.html

• http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/imagerie-medicale-radiographie-principe.xml

• http://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/Diffraction-rayons-X-techniques-determination-structure.xml

• Wikipédia page "cristallisation"

• Wikipédia page "Détremination d'une structure cristalline"

• Wikipédia page "Phase problem"

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