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."

L'histoire

Un jeudi de 1956, vers huit heures du soir, John Polanyi pénètre dans l’espèce de placard à balais qui lui sert de laboratoire. Le jeune maître de conférences de l'université de Toronto ne peut pas espérer beaucoup mieux; il n'est même pas encore assistant professeur. L’étudiant diplômé qui sert d’assistant à Polanyi, et qui porte aujourd’hui une de ses nombreuses chemises hawaïennes à manches courtes lui dit : « Bon et bien, je pense que nous sommes prêts pour un autre essai. »

« Est-ce que tu as vérifié les joints de la Stoke ? » demande Polanyi, tout en jetant un coup d’œil sur la pompe à vide géante qui émet un bruit de choc rythmique dans un coin. 

« Oui, ils ne sont pas terribles mais je pense qu’ils tiendront encore le coup pour une expérience supplémentaire » déclare Cashion.

Polanyi remarque la fraîche odeur d’ozone au moment où Cashion ouvre la valve d’hydrogène et appuie sur un commutateur. Pour réaliser cette expérience, ils ont besoin d'hydrogène sous la forme d'atomes simples (l’hydrogène se trouve dans la nature sous forme de paires d'atomes d'hydrogène). Ken a récupéré l’unité de décharge électrique d’un vieux signe néon. En secouant le flux d’hydrogène avec 6000 volts électriques, Polanyi et Cashion décomposent le gaz en atomes d’hydrogène simples. Polanyi aime le doux rayonnement rosâtre que produit l'hydrogène, mais il s’inquiète de ses propriétés explosives. Quelques calculs rapides qu'ils ont faits hier leur ont indiqué que le laboratoire ne risquait pas d'exploser, mais ils n'en étaient pas complètement sûrs.

 

Cette expérience s’est finalement avérée être un succès, et Polanyi et Cashion ont enregistré quelque chose que personne n’avait jamais vu auparavant — l’apparition d’une très faible quantité de lumière, produite par la réaction de l’hydrogène avec le chlore : la fameuse chimioluminescence. Comme Polanyi comprenait l’origine des faibles émissions de lumière lors de son expérience, il était aussi capable de prédire exactement quel type d'énergie devait être appliqué pour que cette réaction chimique se produise. Au cours des années il étendit ses théories à d'autres réactions, qui entraînèrent de façon plutôt inattendue le développement de nouveaux types de lasers chimiques très puissants. Au bout du compte, cette expérience dans un placard à balais finit par lui valoir un Prix Nobel.

As a young scientist...

Quand Polanyi avait 11 ans son père, un professeur de chimie à l'Université de Manchester en Angleterre, l’expédia au Canada afin qu’il ne soit pas blessé lors des bombardements allemands sur l’Angleterre durant la Deuxième Guerre Mondiale. Polanyi séjourna dans une famille de Toronto pendant trois ans. Il se rappelle être allé faire une randonnée de camping à vélo et avoir lu « Le Comte de Monte Cristo » ainsi que « Guerre et Paix ». Il s’intéressait plus à la littérature et à la sociologie qu’à la science. À l’école, Polanyi trouvait qu’il était ennuyeux de se contenter de suivre les instructions lors d’une expérience de chimie, afin d’obtenir le « bon » résultat. Il préférait expérimenter et essayer différentes choses afin de voir ce qui se produirait. Il était très curieux. Le problème, c'est qu'il obtenait toujours le « mauvais » résultat. Ceci lui attirait des ennuis et ses professeurs disaient souvent qu’il manquait de discipline pour apprendre. Il ne se laissa pas décourager, et finit par s’intéresser profondément pour la science, mais il aime dire aux enfants qu’un engagement pour la vie avec quelque chose n’a pas vraiment besoin de démarrer par une histoire d'amour.

Après la guerre Polanyi retourna à Manchester, où il termina le lycée et fit ses études à l’université. Juste après il repartit pour le Canada, d’abord pour occuper un poste au Conseil National de la Recherche où il travailla pendant un moment avec Gerhard Herzberg (voir p. 67), qui étudiait les états énergétiques des molécules. Après avoir travaillé également à l'université de Princeton dans le New Jersey, Polanyi accepta un emploi de maître de conférences à l'université de Toronto en 1956.

Durant toute sa carrière de scientifique, Polanyi a été très actif dans le mouvement pour la paix et n'a jamais mâché ses mots à cet égard. Dans un article paru en 2003 article dans le journal Globe and Mail, il critiqua vivement le système de missiles pour la défense nationale des USA, qui devait coûter des billions de dollars en disant à ce propos : « Ce système de défense engage le monde dans la mauvaise direction, celui de la construction d’une forteresse. Au 21ème siècle, ce développement est désespérément anachronique. Sans contrôle, les armes et armes de riposte n’entraînent que le développement d'armes toujours plus nombreuses. »

D’après Polanyi, la science nous enseigne un certain nombre de leçons concernant la paix. La première de ces leçons est qu’aucun d'entre nous ne possède la vérité à part entière, mais que nous y travaillons tous ensemble, en tâtonnant vers elle. Ensuite, pour les scientifiques, la poursuite de la vérité doit être faite à travers la raison et non pas la violence. Mais il ajoute : « Bien sûr, nous aurons toujours besoin de la foi. La raison seule suffirait à peine à nous sortir de notre lit chaque matin. Nous avons besoin de la foi dans le jour qui vient. Mais la foi seule, comme nous l'avons déjà appris, est inhumaine et écrase tout sur son passage. La raison écoute, aussi bien qu'elle parle. Par sa nature elle reconnaît l’existence d’autrui, dans la mesure où elle ne triomphe qu’en persuadant les autres. Et c’est ainsi que la science avance… Nous n’allons pas à des débats scientifiques pour annoncer des résultats, mais pour en débattre. C'est une leçon offerte par la science à l'humanité. »

Il était très curieux. Le problème était qu'il obtenait toujours les "mauvais" résultats.

La science

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.

Mystery

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


 

Carrière

Alors comme ça vous voulez devenir chimiste physique...

Interviewé par un magazine allemand il y a quelques années, Polanyi décrit sa vie de chimiste physique : « Dans ma vie je suis payé pour jouer. Je n'ai jamais gagné beaucoup d'argent mais j’ai toujours les plus beaux jouets ! » Cependant, il continua en expliquant que ces instruments scientifiques très coûteux et sophistiqués avec lesquels il peut « jouer » peuvent avoir mauvais caractère et parfois ne pas fonctionner du tout. « C’est inquiétant, car il faut que je fasse de nouvelles découvertes si je veux qu’on me permette de continuer à faire de la science, ce que j’adore, » déclare-t’il. « Alors vous pouvez vous imaginer le formidable plaisir ressenti quand finalement cette fichue machine à regarder les molécules marche, et que moi et mes étudiants pouvons apercevoir quelque chose que personne n’a jamais vu auparavant. Nous partageons pendant un instant le soulagement et l’émerveillement qu’a dû ressentir Christophe Colomb quand, juste au moment où tout semblait perdu, les contours d’une terre lui sont apparu au loin sur l’horizon. À ce moment, nous ne faisons qu’un avec tous les découvreurs de l’histoire, et nous sommes fiers de notre titre de scientifiques. »

Et quel est le secret de Polanyi pour réussir comme scientifique? « Par-dessus tout le souhaiter » dit-il. « Des gens différemment doués ont réussi dans le domaine de la science mais personne n’a jamais réussi sans le vouloir passionnément. »


 

 

La personne

Date de naissance
23 janvier 1929
Lieu de naissance
Berlin, Allemagne, mais a grandi à Manchester, Angleterre
Résidence
Toronto, Ontario
Membres de famille
  • Membres de sa familles
  • Père : Michael Polanyi, professeur de chimie
  • Mère : Magda Elizabeth Kemeny
  • Épouse : Anne “Sue” Ferrar Davidson, professeur de piano
  • Enfants : Michael, Margaret
Personnalité
énergique, enfantin, enthousiaste, serviable
Musique préférée
Tchaïkovski
D'autres intérêts
Ski, randonnées à pied, art, littérature, poésie, action en faveur de la paix
Titre
Professeur de chimie
Bureau
Département de la chimie, université de Toronto
Situation
Working
diplomes
  • BSc, université de Manchester, Manchester, Angleterre 1949
  • MSc, université de Manchester, Manchester, Angleterre 1950
  • PhD, université de Manchester, Manchester, Angleterre 1952
Recompenses
  • Médaille Marlow de la Faraday Society, 1962
  • Prix Steacie pour les Sciences naturelles, 1965
  • Membre de la société royale du Canada, 1966
  • Membre de la Société royale de Londres, 1971
  • Officier de l'Ordre du Canada, 1974
  • Membre étranger de l'American Academy of Arts and Sciences, 1976
  • Médaille de Conservateur de la Société royale du Canada, 1977
  • Associé étranger de la National Academy of Sciences des États-Unis, 1978
  • Compagnon de l'ordre du Canada, 1979
  • Prix Loup, 1982
  • Prix Nobel en Chimie, 1986
  • Membre de l'Académie pontificale, Rome, 1986
  • Société royale d'Edimbourg, 1988
  • Prix commémoratif Izaak Walton Killam, 1988
  • Médaille royale de la Société royale de Londres, 1989
Mentor
Son père, Michael Polanyi. E.W.R. Steacie, un pionnier canadien en chimie
Dernier mis à jour
27 juin 2011
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