Par ProfesseurBFM

Introduction : la matière molle

Dans cette section je vais présenter quelques notions de Physique en relation avec ma thèse. Mon domaine de recherche s'appelle : "la matière molle". Il s'agit pour le physicien de matériaux qui se situent quelque part entre les solides cristallins, presque parfaitement ordonnés (comme le diamant), et les fluides simples (comme l'eau). Un matériau "mou" présente typiquement plus de contraintes au niveau microscopique qu'un fluide simple, ce qui lui confère des propriétés viscoélastiques. Néanmoins, ses constituants peuvent fluctuer et se réorganiser bien plus librement que dans un solide. Le mouvement Brownien joue ici un rôle essentiel. Il s'agit du mouvement et des déformations que subissent de petits objets de taille mésoscopique (située entre la taille de l'atome et notre échelle) du fait du bombardement perpétuel et aléatoire par les petites molécules de leur environnement :

Dans un matériau "mou" les objets mésoscopiques sont par exemple des polymères, de grandes molécules ou encore des particules solides ou liquides. Du fait des interactions qui existent entre ces objets et avec le solvant, ou simplement à cause de leurs géométries, le mouvement brownien les conduit à s'organiser spontanément d'une certaine façon. Quelques exemples :

Fondue de polymères

Dans une solution de polymères très concentrés, les macromolécules en forme de spaghettis ne peuvent pas se déplacer n'importe comment car elles sont enchevêtrées (imaginez beaucoup de spaghettis dans une casserole d'eau) :

Ainsi, c'est ici leur géométrie (leur topologie) et non leur composition chimique précise qui importe et qui explique que la substance résultante coule comme un fluide extrêmement visqueux. Par ailleurs, cette substance se comporte d'une façon non liquide dans certains cas. Imaginez que vous preniez un polymère et essayiez de le tirer brusquement hors de l'amas : c'est tout l'enchevêtrement qui résistera, presque comme dans un solide. Tirez au contraire lentement sur le polymère et vous pourrez le sortir du tas. On voit que le matériau réagit différemment selon qu'on le perturbe rapidement ou lentement. C'est ce qu'on appelle un fluide non-newtonien et bien d'autres matériaux mous répondent à cette définition.

Cristaux liquides

Les cristaux liquides sont constitués de grandes molécules présentant une forte directionnalité : par exemple des petits bâtons rigides ou encore des petits disques. Ici encore, c'est la géométrie des molécules et non leur composition exacte qui compte dans la description du phénomène physique. A cause de leur forme, ces molécules vont avoir naturellement tendance à s'orienter toutes dans la même direction à mesure que le mouvement brownien fait son oeuvre. Le système résultant présente un ordre à longue portée caractéristique des solides cristallins... Et néanmoins, il peut couler dans la direction de l'alignement !

Phospholipides

Les phospholipides sont les molécules qui composent la membrane des cellules biologiques. Ces molécules ont la particularité d'avoir un côté qui aprécie l'eau et un autre côté qui la craint. On dit qu'elles sont "amphiphiles". De cette attitude paradoxale résulte une variété d'auto-organisations possibles dans l'eau. Par exemple en vésicules ou, comme dans la membrane cellulaire, en bicouches :

Pour conclure cette petite introduction, très brève, on peut dire que nous sommes tous faits de matière molle ! Toute la biologie repose en effet, au niveau moléculaire, sur des mécanismes d'interaction subtiles et des phénomènes d'auto-organisation dans l'eau, qui sont décris dans le cadre de la physique de la matière molle. Les objets mésoscopiques impliqués sont des biopolymères (adn, protéines) ou des molécules capables d'auto-assemblage (phospholipides, mais aussi actine, tubuline...). Quant au mouvement brownien, il est peut être le principal acteur, le désordre fondamental qui permet l'émergence de tous les processus du vivant.

(Pour approffondir, le lecteur famillier de physique pourra par exemple consulter l'ouvrage : Soft Condensed Matter, de Richard A. L. Jones, édité chez Oxford University Press.)

Par ProfesseurBFM

Microscopie à Force Atomique

Au mois de février 2007, l’auteur de ces lignes a finalement soutenu sa thèse au terme de 3 années faites de hauts et de bas ! Je m’explique : les bas, c’est quand la recherche n’avance pas et que les résultats sont maigres. Le moral baisse et on se prend à douter : a-t-on choisi le bon chemin, la bonne vocation ? J’aurais voulu être un artiste ! … Heureusement, après la traversée du désert, il survient aussi des moments meilleurs, quand on obtient finalement quelques résultats originaux qui ouvrent des perspectives. Le plaisir de pouvoir partager cela avec des scientifiques talentueux, de pouvoir enfin publier ces résultats (quoi que pour ma part j’attends toujours), tout cela donne envie de persévérer. Bref, j’effectue actuellement un PostDoc, une étape supplémentaire sur le chemin difficile de la recherche scientifique académique.
Mais j’en viens au vif du sujet. Je voudrais vous parler brièvement et en termes simples de la technique que j’ai utilisée, et que je continue d’utiliser aujourd’hui dans mes recherches: la Microscopie à Force Atomique. Cette technique permet de s’affranchir de la limite de diffraction des microscopes optiques (à environ 400 nanomètres) car il s’agit en quelque sorte de « palper » la surface de l’échantillon à l’aide d’une pointe très fine. La résolution sera donc ici limitée par la finesse de la pointe (il y a aussi d’autres limitations, ce serait trop facile !). Le schéma suivant représente le principe de fonctionnement du Microscope à Force Atomique :

La pointe est l’objet avec lequel on « palpe » l’échantillon pour en en déterminer la topographie. Le scanner piézo-électrique permet d’effectuer les déplacement extrêmement précis (de l’ordre de l’angström, ie. un dixième de milliardième de mètre) nécessaires. Alors que la pointe entre en contact avec la surface, le levier se fléchit sous la pression, ce qui est détecté au moyen d’un laser qui termine sa course sur une photodiode. La boucle électronique permet ensuite d’ajuster le déplacement de la pointe pour qu’il suive précisément le contour de l’échantillon. On peut ainsi reconstituer, ligne par ligne, une image en 3 dimensions de la surface.
Dans ma thèse, qui touche à la physique de la matière molle, je me suis intéressé au comportement de ces petits objets linéaires -les polymères- quand ils interagissent avec des surfaces. Voici quelques images que j’ai obtenues en milieu liquide (c’est un autre avantage de l’AFM et qui rend cette technique particulièrement efficace pour les recherches en « matière molle » : beaucoup de systèmes, tels que ceux d’origine biologique, sont intéressants à étudier en solution):

Un polymère linéaire et un polymère en anneau

Adsorption sur une bicouche lipidique

Formation de couches ordonnées