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VIDÉO: 36 unités de mesure inhabituelles - mental_floss sur YouTube (Ep.10)
Micrographie à balayage électronique du dispositif de pesée des molécules. Lorsqu'une molécule atterrit sur la partie en forme de pont située au centre, elle vibre à une fréquence qui indique sa masse. Image via Caltech / Scott Kelberg et Michael Roukes
Combien penses-tu qu'une molécule pèse? Une molécule, qui est un groupe unique d'atomes liés - les deux hydrogènes et un oxygène qui composent H2O, par exemple - est presque incroyablement minuscule. Une mole d'eau, soit environ 0, 64 once, contient 602 214 078 000 000 000 000 000 molécules. Les molécules, en bref, sont vraiment, vraiment, vraiment petites.
Jusqu'à présent, les scientifiques ne pouvaient calculer que la masse de grands groupes de molécules, en les ionisant (leur donnant une charge électrique), puis en observant l'intensité de leur interaction avec un champ électromagnétique, technique appelée spectrométrie de masse. Cependant, ils n'avaient aucun moyen de mesurer la masse d'une seule molécule.
Mais hier, des scientifiques de Caltech ont annoncé l’invention d’un dispositif permettant de mesurer directement la masse d’une molécule. Comme décrit dans un article publié dans la revue Nature Nanotechnology, ce minuscule appareil est construit autour d'une structure en forme de pont qui vibre à une fréquence spécifique en fonction de la masse de la molécule qui la recouvre. En suivant avec précision la fréquence de vibration du pont, ils peuvent déterminer la masse exacte de la molécule.
«L’avancée cruciale que nous avons accomplie dans nos travaux actuels est qu’elle nous permet maintenant de peser les molécules une à une au fur et à mesure de leur arrivée», explique Michael Roukes, le principal investigateur du laboratoire qui a produit le document. "Personne n'a jamais fait cela avant."
À l'œil nu, le dispositif est essentiellement invisible: l'échelle au bas de l'image du microscope ci-dessus mesure deux microns de long, soit deux millions de mètres. Le pont vibrant en son centre est techniquement connu comme résonateur à système nanoélectromécanique et est en développement depuis plus de dix ans.
Dans des travaux antérieurs, publiés en 2009, les chercheurs avaient montré qu'ils pouvaient mesurer la masse de particules pulvérisée sur l'appareil, mais avec une limite: il n'était pas assez sensible pour mesurer une seule molécule à la fois. Parce que l'emplacement spécifique où une particule atterri a affecté la fréquence de vibration et que les scientifiques n'avaient aucun moyen de savoir exactement où cela se trouverait, ils ont dû appliquer plusieurs centaines de particules identiques afin de trouver une moyenne révélant la masse.
Cette avancée permet de mieux comprendre la façon dont la fréquence de vibration du pont change lorsqu’une molécule est pulvérisée dessus. Les vibrations se produisent simultanément dans deux modes: le premier mode est un balancement d'un côté à l'autre, tandis que le deuxième mode se présente sous la forme d'une onde oscillante en forme de S qui se déplace vers le haut et le bas du pont. En analysant exactement la façon dont chacun de ces modes change lorsque la molécule frappe l'appareil, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient déterminer sa position et donc sa masse exacte.
Dans cette étude, les chercheurs ont démontré l'efficacité de l'outil en mesurant la masse d'une molécule appelée immunoglobuline M ou IgM, un anticorps produit par les cellules immunitaires dans le sang et pouvant exister sous plusieurs formes différentes. En pesant chaque molécule, ils ont pu déterminer exactement de quel type d’IgM il s’agissait, faisant allusion à de futures applications médicales. Un type de cancer connu sous le nom de macroglobulinémie de Waldenström, par exemple, est reflété par un rapport particulier de molécules d'IgM dans le sang d'un patient. Les futurs instruments basés sur ce principe pourraient donc surveiller le sang afin de détecter les déséquilibres d'anticorps indiquant un cancer.
Les scientifiques envisagent également ce type de dispositif pour aider les chercheurs en biologie à se pencher sur les mécanismes moléculaires de la cellule. Comme les enzymes qui régissent le fonctionnement des cellules dépendent fortement des attachements moléculaires à leur surface, le fait de peser précisément les protéines à différents moments et dans différents types de cellules pourrait nous aider à mieux comprendre les processus cellulaires.
L'équipe prédit même que leur invention pourrait avoir des applications commerciales quotidiennes. Les moniteurs environnementaux qui suivent la pollution par les nanoparticules dans l'air, par exemple, pourraient être activés par des réseaux de ponts vibrants.
Selon les scientifiques, l’appareil a été construit à l’aide de méthodes de fabrication standard de semi-conducteurs, identiques à celles utilisées dans les circuits électriques usuels, de sorte qu’il peut théoriquement être étendu à des appareils comprenant des centaines ou des dizaines de milliers de capteurs à molécule unique fonctionnant en même temps. «Grâce à l'intégration des dispositifs conçus à l'aide de techniques d'intégration à grande échelle, nous sommes en bonne voie de créer de tels instruments», déclare Roukes.
