Nanostructures identifiées par la lumière : gaucher ou droitier ?
Opportunités pour la biologie et la science des matériaux
En quoi les molécules gauchères et droitières diffèrent-elles ? Des chercheurs de l'ETH Zurich utilisent une nouvelle méthode d'imagerie pour visualiser ce qui n'était auparavant mesurable qu'en moyenne, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour la biologie et la science des matériaux.
Pourquoi les graines de menthe verte et de carvi ont-elles des odeurs si différentes, alors que leurs principales molécules odorantes sont presque identiques ? Pourquoi un médicament peut-il sauver des vies, alors que son image inversée est inefficace, voire nocive ? La réponse réside dans la chiralité, la "main" des molécules. Tout comme la main gauche et la main droite se ressemblent mais ne peuvent être placées l'une sur l'autre, il existe des versions gauche et droite de nombreuses molécules. Celles-ci ont souvent des effets complètement différents.
Une équipe de recherche de l'ETH Zurich dirigée par Romain Quidant, professeur de nanophotonique, a mis au point une méthode qui permet de visualiser la chiralité dans l'espace à l'aide d'une seule image. Jusqu'à présent, la chiralité ne pouvait être mesurée que sur l'ensemble de l'échantillon et le résultat était toujours une valeur moyenne.
"Avec cette nouvelle méthode, nous pouvons utiliser une seule image pour identifier les zones de notre échantillon où se trouvent des structures gauchères et droitières", explique Rebecca Büchner, doctorante travaillant sous la direction de Quidant et auteur principal de l'étude publiée dans la revue Nature Photonics.
La lumière, clé de l'hétérogénéité
Pour cette étude, Rebecca Büchner a utilisé des nanostructures d'or spécialement fabriquées, c'est-à-dire des échantillons chiraux artificiellement produits par Jose García-Guirado, chef de laboratoire dans le groupe de Quidant. Büchner savait donc à combien de composantes droites et gauches il fallait s'attendre dans l'image. Pour rendre la chiralité des échantillons visible, elle a utilisé une nouvelle méthode d'imagerie qui fonctionne comme une caméra hautement spécialisée. Cette méthode se distingue par sa capacité à détecter la façon dont l'échantillon interagit avec différents types de lumière polarisée circulairement.
La lumière polarisée circulairement est un type de lumière où les ondes lumineuses tournent en spirale lorsqu'elles se déplacent, soit vers la gauche, soit vers la droite. De nombreuses molécules chirales présentes dans la nature réagissent différemment à ces types de lumière : elles absorbent davantage la lumière gauchère que la lumière droitière ou tournent légèrement leur sens d'oscillation, par exemple.
Contrairement aux méthodes traditionnelles qui nécessitent deux mesures distinctes de la polarisation circulaire gauche et droite, le système de Büchner capture les deux directions de la spirale en une seule fois. Il utilise un dispositif optique astucieux : après avoir traversé l'échantillon, la lumière est divisée en composantes circulaires gauche et droite à l'aide de faisceaux de référence qui créent des motifs d'interférence. Ces motifs révèlent comment chaque type de lumière a interagi avec l'échantillon, rendant ainsi la chiralité visible.
Une caméra normale ne capturerait qu'une image illisible de cette superposition. Grâce à la nouvelle méthode, cependant, un ordinateur peut lire les informations avec précision. Les cartes colorées qui en résultent montrent quelles parties de l'échantillon sont gauchères et lesquelles sont droitières. Nous avons même pu visualiser des lettres telles que "L" et "R", qui étaient composées de nanostructures ayant une orientation différente", explique M. Büchner.
Des opportunités pour la biologie et la science des matériaux
"Je vois le plus grand potentiel de notre méthode là où la chiralité varie dans l'espace, ce qui était pratiquement impossible à mesurer jusqu'à présent", déclare Jaime Ortega Arroyo, scientifique principal et co-superviseur du projet. Il s'agit d'un problème bien connu, en particulier dans le domaine de la science des matériaux : les matériaux chiraux sont difficiles à résoudre dans l'espace, par exemple lorsque différentes zones d'un matériau ont une orientation différente. La nouvelle méthode permet désormais de visualiser directement ces différences.
Les chercheurs voient également un potentiel pour les échantillons biologiques. Par exemple, les tissus sains et malades peuvent différer non seulement dans leur structure cellulaire, mais aussi dans leur chiralité. Grâce à l'approche par imagerie, il serait possible de détecter ces différences directement dans le tissu, sans coloration ni intervention mécanique. "Cela s'applique non seulement aux molécules, mais aussi à des structures plus grandes telles que des parties de cellules, dont la chiralité n'a pratiquement pas été étudiée jusqu'à présent", explique M. Büchner.
Il existe également un potentiel d'application en pharmacie : de nombreux médicaments sont constitués de molécules chirales dont une seule variante est efficace. Une méthode révélant la chiralité pourrait permettre de mieux analyser des mélanges complexes ou de mettre au point de nouvelles procédures de diagnostic.
Dernières touches en laboratoire
La nouvelle méthode d'imagerie en est encore au stade de la recherche, et les signaux mesurés jusqu'à présent sont modérés et sensibles au bruit. "Notre plus grand défi a été de réduire le bruit et les signaux provenant d'artefacts dans l'image de manière à ce que nous puissions être sûrs que les signaux provenaient réellement de la chiralité", explique Ortega Arroyo.
Dans une prochaine étape, les chercheurs souhaitent rendre le système plus sensible. Il leur reste encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir l'utiliser dans le monde réel. Pour l'instant, l'accent est mis sur l'identification des applications appropriées et l'adaptation de la méthode en conséquence. "Nous savons ce que notre plateforme peut faire, mais d'autres chercheurs savent beaucoup mieux quels autres cas d'utilisation pourraient être étudiés avec elle", explique M. Büchner.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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