Des physiciens observent directement les liaisons hydrogène dans une seule molécule

Pour la première fois, des physiciens ont réussi à observer et à étudier en détail les liaisons hydrogène dans une seule molécule.

Mesures quantitatives de la liaison C═O***H-C : (A) schéma de la mesure de la liaison hydrogène sur le trifluorantheno.[3.3.3]propellane avec une pointe fonctionnalisée au CO ; à droite, l’image AFM. Barre d’échelle – 300 pm ; (B) carte de déplacement de fréquence 2D ; (C) force calculée et (D) potentiels. L’encart montre la même zone avec un plus grand contraste. L’origine z a été fixée à la position de l’atome d’hydrogène. Paramètres de mesure : A = 60 pm et V = 0 mV. Crédit image : Kawai et al, doi : 10.1126/sciadv.1603258.

Avec un seul électron et un seul proton, l’hydrogène est le plus petit atome, et pourtant sa génération au début de l’Univers en fait l’élément le plus abondant.

La réactivité extrêmement élevée de l’hydrogène signifie qu’il forme facilement des composés avec presque tous les éléments non métalliques, notamment l’oxygène et le carbone.

Jusqu’à présent, il n’a pas été possible d’effectuer une analyse spectroscopique ou microscopique électronique de l’hydrogène et des liaisons hydrogène dans les molécules individuelles, et les études utilisant la microscopie à force atomique (AFM) n’ont pas non plus donné de résultats clairs.

Shigeki Kawai, chercheur au Département de physique de l’Université de Bâle, et ses collègues suisses et japonais ont réussi à utiliser l’AFM à haute résolution pour étudier les atomes d’hydrogène dans des composés hydrocarbonés cycliques individuels.

“Nous avons sélectionné des composés dont la configuration ressemble à celle d’une hélice”, ont déclaré les auteurs.

“Ces propellanes se disposent sur une surface de telle sorte que deux atomes d’hydrogène pointent toujours vers le haut. Si la pointe du microscope à force atomique, fonctionnalisée avec du monoxyde de carbone, est amenée suffisamment près de ces atomes d’hydrogène, des liaisons hydrogène se forment et peuvent alors être examinées.”

Les liaisons hydrogène sont beaucoup plus faibles que les liaisons chimiques, mais plus fortes que les interactions intermoléculaires de van der Waals.

Les forces et distances mesurées entre les atomes d’oxygène à la pointe du microscope à force atomique et les atomes d’hydrogène du propellane correspondent aux calculs effectués par l’équipe. Ils montrent que l’interaction implique clairement des liaisons hydrogène.

Les mesures signifient que les forces de van der Waals, beaucoup plus faibles, et les liaisons ioniques, plus fortes, peuvent être exclues.

“Avec cette étude, nous avons ouvert de nouvelles voies pour identifier des molécules 3D telles que des acides nucléiques ou des polymères par l’observation des atomes d’hydrogène”, ont déclaré les chercheurs.

Les résultats ont été publiés dans l’édition du 12 mai 2017 de la revue. Science Advances.