Un chercheur de l'Université du Luxembourg publie dans Science

Alexandre Tkatchenko, professeur de physique de la matière condensée à la Faculté des Sciences, de la Technologie et de la Communication, a publié un article de recherche dans Science, l'une des revues multidisciplinaires les plus reconnues à l'échelle internationale.

La nature véritable des forces de van der Waals

Intitulé « Wavelike charge density fluctuations and van der Waals interactions at the nanoscale », l'article traite des forces d'attraction omniprésentes entre les molécules et les matières, dites « forces de van der Waals ». De nombreuses propriétés des matériaux dépendent fortement de l'intensité de ces forces. Par exemple, de nombreux médicaments sont efficaces car leurs molécules se lient dans nos cellules grâce à la force sélective de van der Waals.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Alexandre Tkatchenko a découvert que la nature véritable de ces forces n'est pas celle admise par la pensée scientifique conventionnelle dans le domaine de la chimie et de la biologie. Les scientifiques ont en effet réussi à montrer que ces interactions doivent plutôt être considérées comme le couplage d’ondes et non comme l'attraction mutuelle entre particules. « Pour faire simple, vous pouvez vous représenter deux chaînes d'atomes dans lesquelles vous pouvez identifier des points qui s'attirent les uns les autres. En général, on calcule la force de van der Waals en additionnant simplement toutes ces paires », explique Alexandre Tkatchenko. « Cependant, nous avons démontré qu'à des distances réalistes entre les matériaux nanométriques, ce raisonnement n'est pas correct et qu'au lieu de considérer ces points comme des particules, il faut les voir comme des ondes. Cette découverte bouleverse la conception que nous avions de ces interactions. »

Légende : Considérer les forces de van der Waals comme le couplage d’ondes est un changement de paradigme pour la chimie et la science des matériaux, © Université du Luxembourg

Cet article est le résultat d'une collaboration internationale et pluridisciplinaire entre quatre instituts de recherche (l’Institut Fritz-Haber, l’Université de Padoue, l’Université de Cornell et l’Université du Luxembourg). « Il fournit à la fois un cadre conceptuel satisfaisant sur le plan qualitatif pour décrire la force de van der Waals à l'échelle nanométrique et un cadre computationnel précis sur le plan quantitatif pour comprendre comment ces interactions omniprésentes influencent les propriétés physiques et chimiques de la matière », ajoute Robert A. DiStasio Jr., professeur adjoint de chimie et de biologie chimique à l'Université de Cornell (USA) et l'un des principaux coauteurs de l’étude.

L’impact sur la science des matériaux

Ce travail de recherche aura certainement de grandes répercussions sur la science des matériaux. Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont réussi à changer les propriétés des matériaux existants en intégrant des nanomatériaux ; ils ont par exemple amélioré la réaction à la contrainte ou ont introduit de nouvelles caractéristiques de conductivité des composites à matrices polymères. « Pour comprendre toutes les propriétés de ces nanocomposites, nous devons d'abord comprendre comment ils s'auto-assemblent à l'échelle nanométrique. L'assemblage de ces matériaux s'effectue principalement grâce aux liaisons de van der Waals », explique le professeur Tkatchenko.

Les forces de van der Waals sont essentielles dans de nombreuses applications industriellestelles que la production de nanocomposites. « Cette étude fournit des explications clés sur les forces à l’œuvre à l'échelle nanométrique, ce qui pourra conduire à une meilleure connaissance des nanomatériaux. Des domaines spécifiques de la fabrication de nano-additifs et de la nanotoxicologie mais aussi de l’ingénierie des particules nanométriques pourraient tirer profit de ce travail innovant », souligne le professeur Jens Kreisel, directeur du département Materials Research and Technology au LIST (Luxembourg Institute of Science and Technology).

Une reconnaissance exceptionnelle

Cette publication représente une belle récompense pour le physicien : « C'est l'heureux aboutissement de dix ans de travail. Le taux d'acceptation des articles par la revue Science tourne autour des 7 % seulement, donc je suis particulièrement fier de faire partie de cette aventure », se félicite Alexandre Tkatchenko.

Pour la première fois, un chercheur de l'Université du Luxembourg est l'auteur principal d'un article publié dans Science. Cette première souligne la visibilité croissante de l'Université du Luxembourg sur la scène internationale.