« Rythmes et Formes en Chimie »

La chimie joue un rôle de premier plan dans la compréhension des phénomènes complexes qui se déroulent lorsque la matière est soumise à des conditions de non-équilibre: transferts de masse et de chaleur, irradiations, déformations mécaniques. En réponse à ces sollicitations, il se développe souvent des comportements collectifs, où les constituants s'organisent spontanément dans le temps et dans l'espace. Ces processus constituent l'un des principaux mécanismes d'émergence d'ordre dans la nature, que ce soit dans les systèmes chimiques ou dans les organismes vivants. Dans le Service de Chimie Physique, nous étudions ces phénomènes sous l'angle de la théorie et de la modélisation sur ordinateur.

1. LES HORLOGES CHIMIQUES

Les réactions chimiques impliquent souvent des processus d'activation et d'inhibition. Lorsqu'elles sont mises en oeuvre dans des systèmes ouverts à des flux de masse ou d'énergie, elles peuvent générer des comportements organisés. Les principes sous-jacents à ces phénomènes sont décrits et illustrés dans le cadre de réactions se comportant comme des « horloges chimiques » ou donnant lieu à des ondes, voire même des structures au sein desquelles les concentrations des réactifs varient périodiquement dans l'espace.

2. ORGANISATION TEMPORELLE ET SPATIALE DU VIVANT

De la cellule à l'homme, les processus rythmiques constituent une caractéristique essentielle du monde vivant. L'étude des mécanismes moléculaires responsables de ces rythmes montrent que ces derniers reposent souvent sur des processus de régulations des réactions biochimiques. Ces mêmes mécanismes peuvent donner lieu à des phénomènes d'organisation spatiale responsables de l'émergence des formes en biologie. Exemples : rythmes circadiens (d'une période de 24h), oscillations et ondes de calcium intracellulaire, agrégation périodique des amibes sociales.

Simulation sur ordinateur de l'agrégation des amibes sociales (Dictyostelium discoideum) lors d'une carence en nourriture. Les centres d'agrégation sont des amibes qui émettent de manière périodique des ondes d'une molécule 'signal'. Les autres amibes détectent ce signal chimique et se déplacent en direction de sa source. De plus, elles le relaient vers la périphérie. Il en découle un comportement cohérent au niveau de toute la population. Les amibes suivent les ondes du signal et s'organisent en vagues concentriques, qui progressivement se transforment en spirales. Les différents panneaux montrent la distribution spatiale de la concentration du signal chimique. Les faibles concentrations sont indiquées en violet, puis, à mesure que la concentration s'élève, on passe successivement par le bleu, le jaune et enfin le rouge. Les panneaux se succèdent ligne par ligne, en commençant par le panneau supérieur gauche. L'intervalle de temps entre 2 panneaux est de 10 min. La dimension d'un panneau est de 1cm x 1cm.

3. DU DESORDRE MICROSCOPIQUE A L'ORDRE MACROSCOPIQUE

Le fonctionnement des systèmes chimiques à notre échelle résulte du comportement collectif d'un grand nombre d'entités individuelles (atomes et molécules). La compréhension du passage du monde microscopique à notre environnement macroscopique a été considérablement enrichie par les simulations sur ordinateur. A partir d'une modélisation des interactions microscopiques, on suit les mouvements des particules et on mesure le comportement global qui s'en dégage. Exemples : catalyse hétérogène, chimie dans un gaz.

4. LA CHIMIE ULTRA-RAPIDE

Des progrès prodigieux ont été réalisés grâce aux lasers qui permettent aujourd'hui de suivre -et même de contrôler- le mouvement des molécules au cours de leurs réactions sur des temps de l'ordre de quelques dizaines de femtosecondes (10-15 seconde). Nous étudions les fondements dynamiques et le contrôle de ces processus ultra-rapides.

5. COMMUNICATION CHIMIQUE ET EMERGENCE D'INTELLIGENCE COLLECTIVE CHEZ LES INSECTES

Le problème que posent les sociétés d'insectes, dont les fourmis sont un exemple très familier, est que leur organisation à l'échelle de la colonie va bien au-delà des capacités des individus, qui sont de petite taille et qui présentent des potentialités restreintes de communication et de prise de décision. La communication chimique permet aux fourmis d'effectuer des choix collectifs lors de l'exploitation des sources de nourriture.

Exemple de structure dissipative chimique résultant de la compétition entre réactions chimiques (la réaction mettant en présence du chlorite, de l'iodure et de l'acide malonique) et processus de diffusion moléculaire. Pour permettre l'apparition de telles structures, les réactions chimiques doivent être autocatalytiques et donc contenir des boucles de rétroaction mettant en présence des activateurs (ici l'iodure), substances favorisant leur propre production et des inhibiteurs (le chlorite) dont l'action antagoniste limite les concentrations des substances activatrices. Pour sa part, le processus de diffusion moléculaire est bien connu pour sa tendance à effacer toute inhomogénéité de concentration. Cependant, si un composé inhibiteur diffuse plus rapidement que les substances activatrices, le système réaction-diffusion peut s'auto-organiser pour donner lieu à des structures périodiques de concentration, stationnaires dans le temps et photographiées ci-dessus. En leur sein, les concentrations des composés chimiques entrant en jeu varient périodiquement dans l'espace bien que la réaction qui se déroule est identique en chaque point de l'espace. Les régions de couleur sombre correspondent à des fortes concentrations d'iodure. Selon les concentrations de réactifs la structure peut présenter des symétries différentes (taches en réseau hexagonal ou bandes).

Localisation: Campus Plaine, Bâtiment NO, niveau 5