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Définition et synonyme de : STRUCTURE, chimie

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Article publié par Encyclopaedia Universalis STRUCTURE, chimie L'idée de structure remonte aux philosophes grecs de l'Antiquité. Les polyèdres platoniciens faisaient se rejoindre la religion pythagoricienne du nombre et une prise en compte géométrique de la matière. Cette même notion a durablement imprégné la chimie. La description de la forme des molécules, et celle de leurs proches parents les complexes, usent de cette syntaxe depuis plusieurs siècles. La façon la plus simple de définir la structure consiste à la considérer comme la disposition des atomes les uns par rapport aux autres, dans ces édifices que sont, d'une part, les réseaux indéfinis au sein des solides, d'autre part, leur assemblage en une molécule. Autrement dit, la structure équivaut à une architecture du microscopique. Les étapes de la détermination de la structure d'un échantillon inédit récapitulent l'histoire des progrès de la science chimique : établissement de la composition élémentaire ; identification des radicaux, ou groupements d'atomes présents ; détermination de la connectivité, c'est-à-dire de la façon précise dont ces groupes sont reliés entre eux ; établissement de la position relative de tous les atomes constitutifs. Depuis l'Antiquité, la structure de la matière et des produits des transformations chimiques s'est formulée en un langage géométrique, celui des polyèdres ou solides platoniciens.
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STRUCTURE, chimie

L'idée de structure remonte aux philosophes grecs de l'Antiquité. Les polyèdres platoniciens faisaient se rejoindre la religion pythagoricienne du nombre et une prise en compte géométrique de la matière. Cette même notion a durablement imprégné la chimie. La description de la forme des molécules, et celle de leurs proches parents les complexes, usent de cette syntaxe depuis plusieurs siècles.

La façon la plus simple de définir la structure consiste à la considérer comme la disposition des atomes les uns par rapport aux autres, dans ces édifices que sont, d'une part, les réseaux indéfinis au sein des solides, d'autre part, leur assemblage en une molécule. Autrement dit, la structure équivaut à une architecture du microscopique.

Les étapes de la détermination de la structure d'un échantillon inédit récapitulent l'histoire des progrès de la science chimique : établissement de la composition élémentaire ; identification des radicaux, ou groupements d'atomes présents ; détermination de la connectivité, c'est-à-dire de la façon précise dont ces groupes sont reliés entre eux ; établissement de la position relative de tous les atomes constitutifs.

Depuis l'Antiquité, la structure de la matière et des produits des transformations chimiques s'est formulée en un langage géométrique, celui des polyèdres ou solides platoniciens. Il s'agit d'un petit nombre de formes simples, des solides réguliers dont les faces sont des polygones tels que triangles, carrés ou pentagones réguliers. À la Renaissance, Johannes Kepler les fit intervenir pour expliquer la symétrie sénaire, c'est-à-dire d'ordre six, des flocons de neige. Plus tard, à l'époque de la Révolution française, René-Just Haüy posa les principes fondateurs de la cristallographie en postulant que de tels polyèdres servent de modules constitutifs aux cristaux. Une génération plus tard, dans un mémoire des Annales de chimie d'une audace lucide (1814), André-Marie Ampère fit œuvre de pionnier en définissant la forme des molécules chimiques à partir des mêmes polyèdres, dérivés des solides platoniciens. Ces polyèdres, dont le retour à intervalles irréguliers ne cessa de fertiliser la science chimique, furent aussi invoqués par Alfred Werner comme les formes représentatives des complexes organométalliques, dont il définit les principes de construction et quelques-unes des principales classes au tournant du xxe siècle.

Autant dire que la structure, puisqu'elle était postulée se ramener à quelques formes géométriques simples, fut un principe unificateur de la chimie. Molécules discrètes et solides cristallins, complexes de coordination ou macromolécules biologiques, tous ces édifices obéissaient à des lois d'assemblage similaires. L'hypothèse unitariste était hardie. Était-elle davantage qu'une pétition de principe ?

Il fallait la confronter aux résultats effectifs des déterminations de structure des objets concrets. Jusque vers 1940-1950, la structure des molécules s'établissait via leur synthèse. Depuis lors, l'établissement de la structure d'une entité chimique se fait prioritairement par voie spectroscopique : on remonte de l'absorption sélective d'un rayonnement électromagnétique par la matière à l'organisation en atomes de cette dernière. Mis au point par Bunsen et Kirchhoff dans les années 1860, cet outil spectroscopique a suivi une évolution le menant du global (mesure d'un indice de réfraction, ou d'une absorption de la lumière dans le domaine du visible ou de l'ultraviolet), au local (mise en résonance des noyaux atomiques participant d'un groupe ou radical bien défini).

On peut décrire d'une autre manière encore l'emprise spectroscopique sur la détermination des structures des entités chimiques, par analogie avec cette appropriation du terrain dont sont coutumiers tant les géographes que les topographes ou les géomètres-arpenteurs : la structure s'établit par l'analogue tridimensionnel d'une cartographie. Il s'agit d'une sorte de triangulation – à l'arrière-plan de laquelle on retrouve les solides platoniciens – effectuée de proche en proche.

Les outils pour ce travail de géodésie microscopique sont à présent principalement la diffraction des rayons X par les cristaux, la résonance magnétique nucléaire et la spectrométrie de masse. Ils sont performants, et font accéder en quelques journées au plus à une structure qui aurait pris des mois, voire des années, à être établie par synthèse. Ils encouragent à un optimisme progressiste, puisque la dimension des objets ainsi révélés dans leur aspect précis et minutieux ne cesse d'augmenter, en une progression géométrique : cet horizon est passé en cent cinquante ans de la taille d'une petite molécule comme l'éthanol à huit atomes à celle de protéines ayant des millions d'atomes.

En revanche, les représentations que les chimistes se donnent de la structure des molécules et des matériaux n'ont guère changé durant ce laps de temps. Elles s'inscrivent autour des deux pôles du graphisme, avec la formule structurale, et de la maquette, avec le modèle moléculaire. La première vaut par sa lisibilité. Elle s'apparente à l'écriture d'un mot, dans lequel les atomes, figurés par des lettres, sont réunis par des traits de liaison. Le second vaut par son occupation de l'espace. Les atomes y apparaissent comme des boules plus ou moins à l'échelle. Cela donne une idée de la molécule comme un objet compact, à forme fixe, comme une sorte de statue. Les formules structurales se mirent en place dans les années 1850-1860. Depuis lors, elles sont restées à l'avant-scène de l'imaginaire chimique. Lors de l'apprentissage d'un futur chimiste, leur vocabulaire et leur syntaxe iconiques forment la langue inculquée. Dans l'activité professionnelle, ces formules structurales servent non seulement à communiquer, mais plus encore à se parler à soi-même, c'est-à-dire à raisonner. Il n'est ainsi pas surprenant que la mentalité collective les associe indéfectiblement au métier de chimiste.

De telles représentations, qu'il s'agisse de formules ou de modèles, ont en propre l'inanimé. Elles restent des fictions, dans la mesure où l'incessant mouvement des atomes présents est arbitrairement gelé. La notion de structure suspend le temps. Hors temporalité, elle coïncide avec une statique de moyenne statistique. Cela vaut tout autant pour les modèles moléculaires, au réalisme naïf, que pour les formules structurales, avec leur schématisme. Il n'est donc guère surprenant que de tels schémas aient leurs limites, et qu'il faille les multiplier pour parvenir à rendre compte même d'une seule molécule. Ce en quoi l'analogie entre la formule et le mot, ce dernier disant la chose, alors que la première dirait la molécule, s'étiole et devient caduque.

La structure serait ainsi comme un archétype sous-jacent à ses diverses représentations. Leurs insuffisances risqueraient de faire écran à leur référent.

Aussi les chimistes ont-ils pour habitude de procéder par comparaison entre diverses représentations. L'une des vertus d'un tel comparatisme est de restituer la dimension temporelle, lorsque chacune des représentations équivaut à un plan dans une séquence. L'étude de la structure d'une molécule biologique comme l'hémoglobine, dans diverses espèces animales, fait percevoir des variations, provenant de mutations. Une telle analyse structurale donne accès à une évolution moléculaire, témoignage aussi tangible que sensible de l'évolution des espèces.

Auteur: Pierre LASZLO
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