Le monde est inondé de milliards de produits chimiques, chacun étant une petite pépite de potentiel. Et pourtant, nous n’en avons identifié que 1%. Les scientifiques estiment que des composés chimiques inconnus pourraient nous aider à éliminer les gaz à effet de serre ou à déclencher une percée médicale, tout comme la pénicilline l’a fait.
Mais commençons par le début : les chimistes ne manquent pas de curiosité. Depuis que le chimiste russe Dmitri Mendeleïev a inventé la table périodique des éléments en 1869, qui est essentiellement une boîte de Lego pour les chimistes, ces derniers ont découvert les produits chimiques qui ont contribué à définir le monde moderne. Il a fallu la fusion nucléaire (envoyer des atomes les uns contre les autres à la vitesse de la lumière) pour créer les derniers éléments. L’élément 117, le tennessine, a été synthétisé en 2010 de cette manière.
Cependant, pour comprendre l’étendue complète de l’univers chimique, il faut également comprendre les composés chimiques. Certains se trouvent naturellement – l’eau, bien sûr, est composée d’hydrogène et d’oxygène. D’autres, tels que le nylon, ont été découverts lors d’expériences en laboratoire et sont fabriqués en usine.
Les éléments sont composés d’un seul type d’atome, et les atomes sont constitués de particules encore plus petites, dont des électrons et des protons. Tous les composés chimiques sont constitués d’au moins deux atomes. Bien qu’il soit possible qu’il reste des éléments non découverts à trouver, c’est peu probable. Alors, combien de composés chimiques pouvons-nous créer avec les 118 types d’éléments Lego que nous connaissons actuellement ?
De Gros Nombres
Commençons par créer tous les composés à deux atomes. Il y en a beaucoup : N2 (azote) et O2 (oxygène) forment ensemble 99 % de notre atmosphère. Il faudrait probablement environ un an à un chimiste pour créer un composé, et il y a 6 903 composés à deux atomes théoriques. Autrement dit, il faudrait un village de chimistes travaillant un an pour créer tous les composés à deux atomes possibles.
Il existe environ 1,6 million de composés à trois atomes comme H₂0 (eau) et CO₂ (dioxyde de carbone), ce qui équivaut à la population de Birmingham et d’Édimbourg réunie. Une fois que nous atteignons les composés à quatre et cinq atomes, il faudrait que chaque être humain sur Terre en crée trois chacun. Pour fabriquer tous ces composés chimiques, nous devrions également recycler plusieurs fois l’ensemble des matériaux de l’univers.
Cependant, il s’agit d’une simplification, bien sûr. Des facteurs tels que la structure d’un composé et sa stabilité peuvent le rendre plus complexe et difficile à fabriquer.
Le plus grand composé chimique jamais créé à ce jour a été fabriqué en 2009 et comporte près de 3 millions d’atomes. Nous ne savons pas encore à quoi il sert, mais des composés similaires sont utilisés pour protéger les médicaments anticancéreux dans le corps jusqu’à ce qu’ils atteignent leur destination.
Mais attendez, la chimie a ses règles !
Assurément, tous ces composés ne sont pas possibles ?
Il est vrai qu’il existe des règles, mais elles sont un peu flexibles, ce qui crée plus de possibilités pour les composés chimiques.
Même les « gaz nobles » solitaires (comme le néon, l’argon et le xénon, et l’hélium), qui ont tendance à ne pas se lier avec quoi que ce soit, forment parfois des composés. L’hydrure d’argon, ArH+, n’existe pas naturellement sur Terre, mais a été trouvé dans l’espace. Les scientifiques ont pu en créer des versions synthétiques en laboratoire qui reproduisent les conditions de l’espace lointain. Ainsi, si vous incluez des environnements extrêmes dans vos calculs, le nombre de composés chimiques possibles augmente.
Le carbone a normalement tendance à être lié à un à quatre autres atomes, mais très occasionnellement, pour de courtes périodes, cinq liaisons sont possibles. Imaginez un bus avec une capacité maximale de quatre passagers. Le bus est à l’arrêt, et les passagers montent et descendent ; pendant que les passagers bougent, brièvement, il peut y avoir plus de quatre personnes dans le bus.
Certains chimistes passent toute leur carrière à essayer de créer des composés qui, selon les règles de la chimie, ne devraient pas exister. Parfois, ils réussissent.
Un autre défi auquel les scientifiques doivent faire face est de déterminer si le composé recherché ne peut exister qu’à l’état naturel dans l’espace ou dans des environnements extrêmes, comme les conditions de chaleur et de pression extrêmes que l’on trouve dans les cheminées hydrothermales, semblables à des geysers, mais situées sur le plancher océanique.
Comment les scientifiques recherchent de nouveaux composés
Souvent, la réponse est de rechercher des composés liés à ceux qui sont déjà connus. Il existe deux principales façons de le faire. L’une consiste à prendre un composé connu et à le modifier légèrement en ajoutant, supprimant ou échangeant certains atomes. L’autre consiste à prendre une réaction chimique connue et à utiliser de nouveaux réactifs. C’est lorsque la méthode de création est la même, mais que les produits peuvent être assez différents. Ces deux méthodes sont des moyens de rechercher des inconnus connus.
Revenir à Lego
C’est comme construire une maison, puis une maison légèrement différente, ou acheter de nouvelles briques et ajouter un deuxième étage. Beaucoup de chimistes passent leur carrière à explorer l’une de ces maisons chimiques.
Mais comment rechercher une chimie vraiment nouvelle, c’est-à-dire des inconnus inconnus ?
Une façon dont les chimistes découvrent de nouveaux composés consiste à observer le monde naturel. La p
énicilline a été découverte de cette manière en 1928, lorsque Alexander Fleming a observé que la moisissure dans ses boîtes de Pétri empêchait la croissance des bactéries.
Un peu plus de dix ans plus tard, en 1939, Howard Florey a découvert comment cultiver la pénicilline en quantités utiles, en utilisant toujours la moisissure. Mais il a fallu encore plus de temps, jusqu’en 1945, pour que Dorothy Crowfoot Hodgkin identifie la structure chimique de la pénicilline.
C’est important parce qu’une partie de la structure de la pénicilline contient des atomes disposés en carré, une disposition chimique inhabituelle que peu de chimistes auraient pu deviner, et difficile à réaliser. Comprendre la structure de la pénicilline signifiait que nous savions à quoi elle ressemblait et pouvions rechercher ses proches chimiques. Si vous êtes allergique à la pénicilline et avez besoin d’un antibiotique de remplacement, vous avez Dorothy Crowfoot Hodgkin à remercier.
De nos jours, il est beaucoup plus facile de déterminer la structure de nouveaux composés. La technique de rayons X que Crowfoot Hodgkin a inventée en chemin pour identifier la structure de la pénicilline est toujours utilisée dans le monde entier pour l’étude des composés. Et la même technique d’IRM que les hôpitaux utilisent pour diagnostiquer les maladies peut également être utilisée sur des composés chimiques pour en déterminer la structure.
Cependant, même si un chimiste imaginait une structure complètement nouvelle, sans relation avec un composé connu sur Terre, il devrait toujours le fabriquer, ce qui est la partie difficile. Découvrir qu’un composé chimique peut exister ne vous dit pas à quoi il ressemble ni dans quelles conditions vous devez le fabriquer.
Pour de nombreux composés utiles, tels que la pénicilline, il est plus facile et moins coûteux de les « cultiver » et de les extraire à partir de moisissures, de plantes ou d’insectes. Ainsi, les scientifiques à la recherche d’une nouvelle chimie trouvent souvent de l’inspiration dans les coins les plus reculés du monde qui les entoure.
Source : Phys.org
