Éclairer la voie

Deux personnes devant un mur de béton où il est inscrit le titre anglais, "Lightning the way".

« Si on peut observer la structure réelle de molécules complexes et créer des films qui montrent des réactions chimiques, on pourra aussi, par exemple, concevoir de meilleurs médicaments et traitements. »

– Thomas Brabec

Le physicien théoricien américain Richard Feynman a déjà lancé en boutade : « La physique, c’est comme le sexe : oui, ça peut donner des résultats concrets, mais ce n’est pas pour ça qu’on s’y adonne. »

Thomas Brabec et Lora Ramunno, tous deux professeurs de physique à l’Université d’Ottawa, seraient sans doute d’accord. Il suffit de les entendre parler de leurs recherches pour comprendre qu’ils sont mus par une fascination naturelle pour les fondements de leur science.

Recruté à l’Université technique de Vienne (Autriche), Thomas Brabec est titulaire de la Chaire de recherche du Canada en photonique ultrarapide. Parlant de ses recherches, il souligne leur « côté expérimental électrisant ». Il cherche notamment à concevoir des techniques théoriques pour prendre des images figées d’électrons en mouvement, prenant appui sur une idée originale de Paul Corkum, auprès duquel il a fait un postdoctorat dans les années 1990. M. Corkum, scientifique de renommée internationale, est professeur à l’Université d’Ottawa et chercheur au Conseil national de recherches Canada (voir en page 10).

« Les réactions moléculaires forment la base de notre monde, explique Thomas Brabec. Et la perspective de créer un film montrant une liaison moléculaire est vraiment exaltante. »

Les électrons se déplacent à l’échelle de l’attoseconde, ce qui équivaut à un milliardième d’un milliardième de seconde (10-18). Le professeur Brabec utilise des impulsions de lumière ultrarapides pour prendre des « photos » de ces électrons et en connaître la position dans l’espace et dans le temps.

« C’est comme un stroboscope, précise-t-il. Comme la célèbre séquence d’un cheval au galop qu’on avait photographiée image par image au 19e siècle. »

Ces techniques d’imagerie ultrarapide on fait leurs preuves avec de petites molécules, mais, explique le chercheur, « la situation est tout autre si on veut les appliquer à de grands systèmes, comme de grosses molécules ou des réactions complexes ».

L’obtention d’images de systèmes moléculaires complexes présente d’immenses difficultés, tout comme la modélisation théorique du processus d’imagerie lui-même, vu le grand nombre d’électrons observés. En effet, le professeur Brabec et son équipe modélisent la dynamique en champ laser intense des électrons, jusqu’à huit à la fois. Ils veulent aussi modéliser l’imagerie de petites molécules comme le méthane, ce qui n’a pas été possible jusqu’à présent. « En ce moment, nous sommes à la limite de ce que nos ordinateurs peuvent faire. »

Le chercheur travaille également avec le XFEL, un laser à électrons libres qui crée des rayons X d’une telle intensité qu’ils font rapidement exploser la matière : « Le XFEL génère beaucoup d’intérêt parce qu’en principe, il peut prendre une image d’une grosse biomolécule en particulier sans avoir besoin de la cristalliser. Ce que nous voulons savoir, c’est s’il est possible de prendre l’image avant que la molécule n’explose. Présentement, les images sont prises par synchrotron avec une lumière de faible intensité. Il faut que la molécule soit cristallisée pour que l’on puisse voir quoi que ce soit. Nous ne savons donc jamais si nous observons la vraie molécule. Ce qui est excitant, c’est que les XFEL sont peut-être capables de prendre des photos des molécules à leur état naturel. »

Titulaire de la Chaire de recherche du Canada en nanophotonique computationnelle, Lora Ramunno mène elle aussi des recherches fondamentales à une échelle infinitésimale. « J’aime beaucoup trouver comment les choses fonctionnent, explique-t-elle. Je veux comprendre les processus fondamentaux. »

La professeure Ramunno étudie les interactions de la lumière laser et des matériaux à des échelles qui vont d’un micromètre, ou un millième de millimètre, à un nanomètre, ce qui est mille fois plus petit. « Les lasers sont courants de nos jours, dit-elle. Mais lorsqu’on regarde la façon dont ils interagissent avec la matière dans de si petits espaces, on peut voir de nouveaux phénomènes physiques qui transcendent largement nos expériences quotidiennes. »

La physicienne théoricienne utilise des simulations informatiques pour comprendre comment des impulsions focalisées de lumière intense peuvent faire éclater des structures à la fois minuscules et complexes dans certains matériaux. Comme le professeur Brabec, Lora Ramunno utilise la modélisation pour trouver de meilleures façons de photographier des molécules, mais elle se concentre sur la création d’images en trois dimensions de la distribution moléculaire à l’intérieur d’un échantillon de grande taille. Elle s’intéresse tout particulièrement à la façon dont la substructure nanométrique peut déformer les images.

Tout en travaillant sur un plan purement théorique, les professeurs Ramunno et Brabec ont pleinement conscience des applications potentielles de leurs recherches. Par exemple, les simulations que réalise Lora Ramunno à partir de verre et de lasers intenses pourraient mener à la création de meilleurs biocapteurs, microlentilles ou matériaux pour le transport de données. De même, ses travaux en imagerie moléculaire pourraient servir à la création de meilleurs microscopes pour la représentation de processus biologiques subcellulaires en temps réel.

« J’aime travailler dans des domaines qui ont des applications, même si ce n’est pas moi qui les élaborerai en laboratoire », dit-elle.  

Les recherches de Thomas Brabec peuvent aussi mener à des applications pratiques. « Si l’on peut observer la structure réelle de molécules complexes et créer des films qui montrent des réactions chimiques, on pourra aussi, par exemple, concevoir de meilleurs médicaments et traitements, dit-il. Présentement, nous basons une bonne partie de nos connaissances sur des théories très puissantes. Mais sont-elles correctes? Personne ne le sait. Voir, c’est croire, mais c’est aussi comprendre. »

Tant Thomas Brabec que Lora Ramunno aimeraient travailler plus étroitement avec leurs collègues en physique expérimentale. Ils estiment que le nouveau Complexe de recherche avancée facilitera considérablement ce genre d’interactions.

« En ce moment, nous sommes répartis un peu partout sur le campus, explique Mme Ramunno. Si nos collègues en physique expérimentale sont dans la pièce à côté, il sera plus facile de développer nos idées. C’est de ça que nous avons besoin comme théoriciens. »

 

par Leah Geller

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