John Charles Polanyi

Chimie physique

A gagné le prix 1986 Nobel en chimie pour l'usage de la chemiluminescence des molécules pour expliquer des rapports d'énergie dans des réactions chimiques

"La chose la plus intéressante du 20ème siècle, c’est la science. Les jeunes me demandent si ce pays prend les scientifiques au sérieux. Ils ne pensent pas au passeport dont ils seront titulaires, mais au pays sur lequel ils devront compter pour être soutenu et encouragé."

En temps que chimiste physique, John Polanyi étudie la physique des réactions chimiques — l’état énergétique et les mouvements des molécules durant le moment de réaction. Ce champ de la chimie est appelé dynamique des réactions. Son travail a aidé à résoudre le problème de l'obtention d'une réaction chimique. Faut-il « chatouiller » les molécules ou les cogner les unes contres les autres? Il s’est avéré que dans certains cas le chatouillage marche et que dans d'autres il faut vraiment les cogner les unes contre les autres. Comme le dit Polanyi : « Ce travail est important, parce qu'il nous a donné une image des atomes en réaction dans l'état de transition. » L’état de transition d’une réaction chimique est la brève période, souvent quelques millionièmes de seconde, pendant laquelle les matériaux de départ ont commencé à se combiner les uns avec les autres, mais ne se sont pas encore complètement transformés dans les produits issus de la réaction. Cette connaissance de la dynamique des réactions a permis aux chimistes de perfectionner les conditions de réaction pour améliorer les résultats des processus chimiques.

Dans une récente série d’expériences, Polanyi et son équipe de recherche ont travaillé sur le produit chimique bromure de méthyle et le silicone afin d’apprendre à « imprimer » les modèles des atomes. Ils utilisent des équipements coûtants plusieurs millions de dollars, des microscopes à effet tunnel qui fonctionnent à la très basse température de 223oC. Cela leur permet de voir et de manipuler les molécules individuelles. Polanyi et son équipe de recherche sont capable d’attacher légèrement les atomes de bromure de méthyle à un cristal de silicone situé en dessous, en suivant un modèle de dessin circulaire net et régulier de 12 molécules par cercle. Puis, en exposant les molécules à la lumière ultraviolette, ils ont découvert que les atomes de brome formaient de fortes réactions chimiques avec le cristal de silicone situé en dessous, tandis que le méthyle (CH3) se détachait et s'éloignait en flottant.

Polanyi explique : « Nous pouvons maintenant faire des impressions permanentes de dessins à l’échelle moléculaire sur des puces de silicone. Ça pourrait être utile. » Il est fasciné par l’idée que l’espacement physique des réactions chimiques puisse être contrôlé de cette façon. « On se prend à rêver d’une presse à imprimer à l'échelle moléculaire, dans lequel le dessin est déjà présent dans l’encre et où la presse serait la lumière. » Les applications potentielles à venir dans le monde de la nanotechnologie et de la fabrication des puces sont probables.

1. L’expérience qui lui a valu le prix Nobel est la suivante : une grande quantité d’énergie est relâchée quand l’hydrogène et le chlore réagissent ensemble pour former le chlorure d’hydrogène, mais on ne savait pas grand-chose de cette énergie quand Polanyi arriva à l’université de Toronto en 1956 et décida de l’étudier. Il ne se rendait pas compte que cette simple réaction lui vaudrait le Prix Nobel 30 ans plus tard.

2. État de transition:pendant un bref instant au moment de la réaction, les molécules sont dans un état de transition pendant qu'ils se transforment en de nouveaux produits chimiques. Les expériences de Polanyi ont permis d’obtenir une image de l’arrangement des atomes pendant l'état de transition. À cette époque, on savait que les molécules avaient trois sortes de mouvements : énergie de rotation, l’énergie de vibration et l’énergie du mouvement d’un point à un autre, ou énergie de translation. Ce qu’on ne connaissait absolument pas était la relation entre ces trois types d’énergie lors d’une réaction chimique. Les expériences de Polanyi ont inauguré la naissance d’un nouveau champ de la chimie, la dynamique des réactions, la prévision du modèle selon lequel les molécules se déplacent lors d'une réaction chimique.

3. Chimioluminescence : Polanyi utilisait un spectromètre infrarouge pour mesurer l’énergie de la lumière produite par les nouveaux produits issus de la réaction chimique. Les molécules de produit émettent une lumière très faible appelée chimioluminescence, qui a été enregistrée par Polanyi. Il utilisa cette information pour distinguer entre les énergies vibrationnelle et rotationnelle dans la molécule. Sa compréhension de la lumière émise par les réactions chimiques lui permit plus tard de proposer des lasers vibrationnels et chimiques, qui sont les sources de radiations infrarouges les plus puissantes jamais développées.

4. Le « Labo » : l’assistant étudiant diplômé de Polanyi, Ken Cashion, a réglé l'appareil qui permit de remporter le Prix Nobel, et a aussi été le premier à voir les résultats de l’expérience. Les deux chercheurs avaient dû « emprunter » le spectromètre à d'autres scientifiques, qui auraient été furieux si ils avaient compris à quel point leur machine serait démontée et modifiée pour l'expérience.


ACTIVITé


MYSTèRE

Polanyi croit que l’un des grands mystères est la base moléculaire de la vie. Il pense que dans le futur nous aurons des appareils qui fonctionneront à l’échelle moléculaire, et qui permettront d’observer les réactions chimiques dans des conditions beaucoup plus variées qu’il est maintenant possible de le faire. Il déclare : « Ne vous inquiétez pas du fait que, au moment où les scientifiques d’aujourd’hui quitteront la scène et que votre tour viendra il n’y ait plus rien a découvrir, ne vous faites pas de souci. Ce que nous savons n’est qu’une fraction de ce qui reste à découvrir. Au centre de l’atome, dans le noyau de la cellule vivante et aux frontières de l’univers se trouvent des mondes nouveaux qui attendent d'être découverts. »

Pour continuer l’exploration
  • Mark Ladd, Introduction to Physical Chemistry, Cambridge University Press, 1998.
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  • La page personnelle de Polanyi sur Internet : www.utoronto.ca/jpolanyi
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  • L'accompagnement site pour le manuel Physical Chemistry 8e d'Atkins et Polanyi.

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