Un nouveau modèle pour faciliter l’interprétation des images moléculaires à résolution atomique

Il existe plusieurs façons de créer des modèles bidimensionnels et tridimensionnels d’atomes et de molécules. Avec l’avènement d’appareils de pointe capables d’imager des échantillons à l’échelle atomique, les scientifiques ont découvert que les modèles moléculaires traditionnels ne correspondaient pas aux images qu’ils voyaient. Les chercheurs ont mis au point une meilleure façon de visualiser les molécules en s’appuyant sur ces méthodes traditionnelles. Leurs modèles correspondent bien aux données d’imagerie qu’ils acquièrent, et ils espèrent que les modèles pourront donc aider les chimistes avec leur intuition pour interpréter les images moléculaires.

Quiconque lit ceci connaît probablement les modèles traditionnels d’atomes et de molécules en forme de boule et de bâton, où des boules de différentes tailles et couleurs représentent les différents noyaux atomiques, et les bâtons représentent les propriétés des liaisons entre les atomes. Bien qu’il s’agisse d’outils pédagogiques utiles, ils sont beaucoup plus simples que la réalité qu’ils reflètent. Les chimistes ont tendance à utiliser des modèles tels que le modèle Corey-Pauling-Koltun (CPK), qui est similaire au modèle balle et bâton mais avec les balles gonflées de sorte qu’elles se chevauchent. Le modèle CPK en dit plus aux chimistes sur la façon dont les composants d’une molécule interagissent bien mieux que le modèle boule et bâton.

Ces dernières années, il est enfin devenu possible non seulement de capturer les structures des molécules mais aussi d’enregistrer leur mouvement et leurs interactions dans des vidéos grâce à des technologies comme la microscopie électronique à transmission à résolution atomique (AR-TEM). Ceci est parfois appelé « science moléculaire cinématographique ». Cependant, c’est avec ce saut dans notre capacité à visualiser l’invisible que les modèles balle et bâton ou CPK deviennent un obstacle plutôt qu’une aide. Lorsque des chercheurs du Département de chimie de l’Université de Tokyo ont essayé d’adapter ces modèles aux images qu’ils voyaient, ils ont rencontré quelques problèmes.

« Le modèle balle et bâton est beaucoup trop simple pour décrire avec précision ce qui se passe réellement dans nos images », a déclaré le professeur Koji Harano. « Et le modèle CPK, qui montre techniquement la propagation du nuage d’électrons autour d’un noyau atomique, est trop dense pour discerner certains détails. La raison en est qu’aucun de ces modèles ne démontre les vraies tailles d’atomes que les images d’AR-TEM montrent. « 

Dans les images AR-TEM, la taille de chaque atome est directement corrélée au poids atomique de cet atome, connu simplement sous le nom de Z. Ainsi, le professeur Eiichi Nakamura et son équipe ont choisi de modifier un modèle boule-et-bâton pour s’adapter à leurs images, où chaque noyau dans le modèle a été dimensionné en fonction du nombre Z du noyau qu’il représente et l’a nommé modèle moléculaire Z-corrélé (ZC). Ils ont conservé le même système de couleurs utilisé dans le modèle CPK, introduit à l’origine par les chimistes américains Robert Corey et Linus Pauling en 1952.

« Une image vaut mille mots, et vous pouvez comparer les images AR-TEM à la toute première photographie d’un trou noir », a déclaré Nakamura. « Ils montrent tous les deux la réalité comme jamais vu auparavant, et les deux sont beaucoup moins clairs que ce à quoi les gens imaginent probablement que ces choses devraient ressembler. C’est pourquoi les modèles sont si importants, pour combler le fossé entre l’imagination et la réalité. aidera les chimistes à analyser des images au microscope électronique basées sur l’intuition sans même avoir besoin de calculs théoriques, et ouvrira un nouveau monde de « science moléculaire cinématographique ».

L’étude est publiée dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.