Les modèles moléculaires rencontrent la microscopie électronique

A quoi ressemble une molécule ? Ce n’est pas vraiment une question juste – les molécules sont si minuscules que seuls nos meilleurs microscopes électroniques peuvent nous donner des images floues et granuleuses. Au lieu de cela, nous utilisons une gamme de symboles et de modèles différents pour les représenter.

Une équipe de chercheurs japonais a trouvé un moyen de combiner ces deux choses, avec un système de modélisation moléculaire basé sur la microscopie électronique. Bien qu’il ressemble au modèle boule et bâton que vous auriez pu utiliser au lycée, leur modèle transmet beaucoup plus d’informations – à travers la taille des atomes.

Ils disent que leur système, appelé le modèle ZC, représente les molécules d’une manière qui aidera l’intuition des chimistes lorsqu’ils traitent des images de très petites choses. Ils espèrent qu’il deviendra également un outil pédagogique utile.

Le modèle ZC, et la façon dont ils l’ont compris, est décrit dans un article de PNAS.

Imagerie au microscope électronique des molécules (à l’extrême gauche), suivie du modèle ZC des atomes, du modèle CPK plus conventionnel et des dessins des molécules (à l’extrême droite). Crédit : © 2021 Nakamura, Harano et al.

Les modèles moléculaires sont antérieurs aux images réelles des molécules de plus d’un siècle. Les modèles moléculaires tridimensionnels sont cruciaux pour le travail des chimistes – qu’il s’agisse d’un modèle de balle et de bâton tenu à la main, d’un diagramme de remplissage d’espace en forme de ballon généré par ordinateur, ou quelque chose entre les deux.

La microscopie électronique à transmission (TEM) a permis de voir réellement des atomes et des molécules individuels. Mais, peu importe ce que vous avez pu voir dans les films, ils n’apparaissent pas à l’écran comme des balles lisses et faciles à comprendre. En fait, il est difficile de repérer des similitudes entre une image TEM et un modèle de molécule.


Lire la suite : Toucher des atomes


“Le modèle boule et bâton est beaucoup trop simple pour décrire avec précision ce qui se passe réellement dans nos images”, déclare le professeur Koji Harano, du département de chimie de l’Université de Tokyo, au Japon.

« 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 la taille réelle des atomes que les images d’AR-TEM [atomic resolution transmission electron microscopy] Afficher.”

Harano et ses collègues ont abordé cette question en examinant de très près la façon dont les images TEM étaient corrélées aux atomes et aux molécules dont ils savaient qu’ils étaient présents.

Ils ont découvert que la taille d’un atome dans une image TEM était étroitement liée à son numéro atomique. (Le numéro atomique, ou numéro de masse, est le nombre de protons d’un élément et le grand nombre attaché à chaque atome dans le tableau périodique. Le numéro atomique de l’hydrogène est 1 et celui du carbone est 6, par exemple.)

Ils ont utilisé ces informations pour suggérer une nouvelle façon de représenter les molécules, où chaque atome est dimensionné différemment en fonction de son numéro atomique.

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Le tableau périodique des éléments – par taille. Le modèle CPK, en haut, représente la distribution des électrons autour d’un atome. Ceci est différent de la masse du noyau de l’atome, qui est représentée ci-dessous dans le modèle ZC. Crédit : © 2021 Nakamura, Harano et al.

Le numéro atomique est également représenté par un Z, de sorte que les chercheurs ont nommé leur système le système Z-corrélé, ou ZC.

“La création de ce modèle a grandement accéléré nos recherches”, explique le professeur Eiichi Nakamura, également de l’université de Tokyo. “Les modèles moléculaires précédents ne pouvaient pas bien expliquer les images moléculaires dans le TEM.”

Il dit que leur modèle pourrait éventuellement aider les chimistes à comprendre des choses comme la structure moléculaire à partir d’images TEM. Pour le moment, bien que la TEM soit utile pour d’autres choses, elle est loin d’être aussi efficace que les techniques analytiques conventionnelles pour déterminer la forme des molécules.

“Les spécialistes TEM n’ont jamais pensé à notre approche”, déclare Nakamura. “Ils ont juste accepté que c’est incompréhensible, parce que c’est très complexe.”

Ce nouveau modèle, qui peut être utilisé dans n’importe quel logiciel d’imagerie moléculaire permettant de modifier la taille des atomes, démêle une partie de cette complexité.

“En utilisant le modèle ZC, il est désormais possible de prédire la structure moléculaire à partir de l’image TEM réelle avec un degré de précision assez élevé”, déclare Nakamura.

“Cela a ouvert la possibilité d’utiliser la TEM dans l’enseignement primaire et secondaire ainsi que le développement de la TEM comme moyen d’étudier les propriétés dynamiques des molécules.”

Mais, alors que l’ère de la “chimie cinématographique”, ou de la photographie de molécules réelles, approche à grands pas, Nakamura pense toujours que les chimistes utiliseront également les modèles de la vieille école dans un avenir prévisible.

“Peu importe la qualité de l’AR-TEM, il ne pourra jamais saisir la structure tridimensionnelle”, dit-il.

“Les modèles moléculaires, qui représentent des molécules en trois dimensions en utilisant différentes couleurs de sphères pour différents types d’atomes, sont indispensables à la compréhension intuitive des molécules et continueront d’aider les chimistes et le grand public à comprendre les molécules.”



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