Au travail, super diffractomètre!

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  • Le 18 février 2014

  • Dominique Nancy

MM. Lafleur, Sing et Schaper devant le diffractomètre, qui servira aux chercheurs non seulement de l'UdeM mais de tout le Québec. (image : Andrew Dobrowolskyj)Le Laboratoire de diffraction des rayons X du Département de chimie de l'Université de Montréal vient d'acquérir le premier diffractomètre monocristal à rayons X équipé d'une source à jet métallique dernier cri grâce à une subvention de 5,6 M$ de la Fondation canadienne pour l'innovation (FCI).

 

Le laboratoire devient ainsi le seul centre de recherche du monde doté d'un tel appareil. Les autres diffractomètres exigent des échantillons plus gros, prennent plus de temps à faire une analyse et donnent des résultats moins précis.

Pour se faire une idée du potentiel de cette machine, il suffit de savoir que son rayonnement est très intense et que sa brillance surpasse 20 fois celle des diffractomètres actuels. « C'est ce qui fait la force de cette technologie, qui présente un double avantage. On obtient plus de précision et on peut caractériser de minuscules cristaux, plus petits qu'un grain de sable », indique Michel Lafleur, professeur au Département de chimie.

Appuyé par plusieurs collaborateurs, dont Robert Sing, conseiller au Bureau Recherche-Développement-Valorisation de l'UdeM, M. Lafleur a dirigé le projet d'infrastructure de recherche qui a permis l'acquisition du superdiffractomètre. « Cette technologie permettra au laboratoire de demeurer à l'avant-garde de la recherche sur les matériaux et profitera aussi à l'ensemble des chercheurs de l'Université, du Québec et d'ailleurs, qui pourront y avoir accès », fait valoir M. Lafleur.

« La diffraction de rayons X est une technique incontournable pour la caractérisation de la structure moléculaire des matériaux, affirme Frank Schaper, aussi professeur au Département de chimie et directeur scientifique du Laboratoire de diffraction des rayons X. La technologie repose sur l'enregistrement des intensités diffractées par un cristal soumis à un rayonnement X. Cette nouvelle génération de diffractomètre, de marque Bruker AXS, permet une analyse des matériaux souvent impossible à réaliser avec les appareils traditionnels. »

À ce jour, seul un synchrotron, dont le coût s'élève à plus de 200 M$ et qui occupe plus d'espace qu'un terrain de football, possède une source de rayonnement plus brillante et permet des analyses plus poussées que le diffractomètre de Bruker. Désormais, le recours au synchrotron sera réduit, selon Frank Schaper. « On roulait jusqu'ici en berline familiale haut de gamme; avec le nouvel appareil, on est au volant d'une Porsche, alors que le synchrotron, c'est comme rouler en formule 1, mais avec le désavantage de devoir circuler sur une piste fermée, signale-t-il. Les voitures de course ont leur place, mais nous n'en avons pas besoin pour nous rendre au travail. »

Chimie verte et nanotechnologies

On connaît aujourd'hui la structure de l'ADN et, ainsi, une grande partie du comportement unique de cette molécule responsable du code génétique grâce à des expériences de diffraction aux rayons-X effectuées en 1962 par le Britannique Maurice Wilkins, lauréat du prix Nobel de physiologie ou médecine avec James Watson et Francis Crick. Depuis, la technologie est utilisée dans divers domaines, notamment en chimie, physique, métallurgie, géologie et pharmacie, par exemple pour vérifier l'authenticité des pigments d'œuvres d'art, élaborer des matériaux servant à la conversion de l'énergie solaire ou encore concevoir des biocapteurs et mettre au point de nouveaux médicaments.

Connaître la structure des matériaux à l'échelle des atomes et des molécules est très important en chimie, puisque cela permet de comprendre les propriétés qui conditionnent la performance du matériau pour une application donnée. « En conversion d'énergie solaire, si l'on veut prédire quelle molécule interagira bien avec la lumière, il faut connaître les détails de sa structure, propriétés que le nouveau diffractomètre permet d'explorer », explique Frank Schaper.

À l'heure où le développement durable est un enjeu véritable pour tous les secteurs de la société, Robert Sing souligne pour sa part l'importance de la chimie verte, un champ d'activité où le Québec et l'UdeM se démarquent déjà sur la scène internationale. « Avec cette capacité de savoir où sont placés les atomes, les chercheurs ont davantage de possibilités de créer des procédés de synthèse plus efficaces, qui demandent moins d'énergie et qui réduisent la quantité de déchets produits », dit-il.

C'est ce à quoi s'applique justement le professeur Schaper, qui travaille à la conception de catalyseurs pour la fabrication de polymères biodégradables.

Les polymères offrent un large éventail d'applications dans de nombreux domaines. L'emploi des polymères dans la conversion de l'énergie solaire, un thème central du programme de recherche au laboratoire de diffraction, a ainsi permis d'imaginer des cellules solaires plastiques, une solution de rechange aux cellules photovoltaïques à base de silicium et qui pourraient permettre de réaliser des dispositifs de production d'énergie verte à très faible coût. En pharmacie, l'efficacité des médicaments pourrait être améliorée et leurs effets secondaires réduits en insérant le médicament dans des capsules de polymères synthétisés de taille nanométrique qui pourraient résister au transit dans l'appareil digestif et ne libérer la substance médicamenteuse qu'une fois atteint l'organe ciblé.

Un laboratoire ultra performant

Une visite du Laboratoire de diffraction des rayons X, situé au pavillon J.-Armand-Bombardier, permet de constater la diversité des équipements à la portée des chercheurs. Avec un parc comprenant désormais sept instruments de pointe, le laboratoire est équipé pour effectuer une vaste gamme d'études incluant la collecte de données pour la détermination de structures cristallines, l'analyse et l'identification par diffraction aux rayons-X d'échantillons polycristallins, la caractérisation de films, de fibres ou d'échantillons bruts.

Outre le diffractomètre de Bruker, d'autres appareils viendront bientôt bonifier les installations technologiques du pavillon grâce au projet financé par la FCI. Pour Michel Lafleur, c'est un rêve devenu réalité. « La réunion de ces équipements dans nos laboratoires nous permettra de demeurer dans le peloton de tête en matière de capacités de recherche et d'accroître les échanges avec des chercheurs du monde entier. »

Dominique Nancy