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pierre laszlo

 
L'analyse chimique comme dématérialisation
Article Index
L'analyse chimique comme dématérialisation
Le système de signes
La langue des spectres
Mutation du laboratoire: du travail sur la matière à la transformation des signes
La synthèse chimique est-elle une rematérialisation?
Références
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L'analyse chimique est prise comme exemple, dans l'activité réelle d'un laboratoire d'aujourd'hui. La matière y est tenue à distance, mise entre parenthèses. Elle est certes indispensable, mais à titre de matière première pour la prduction d'information. L'analyse chimique traduit des messages instrumentalisés en des modules informationnels. Nous sommes redevables de cette révolution conceptuelle aux grands chimistes, Justus von Liebig, Auguste Laurent, Jean-Baptiste Dumas et autres qui, au milieu du XIXe siècle, ont bâti l'audacieuse théorie des radicaux. Depuis lors, la chimie moléculaire est devenue combinatoire de ces modules idéaux, groupes d'atomes n'ayant d'existence que fictive, qui sont pour la chimie ce que les phonèmes sont pour la parole.

 

Matière à chimie"

J'ai choisi de décrire ici les relations des chimistes d'aujourd'hui avec la matière, par le canal de la sous-discipline nommée "analyse", dont le résultat (pour faire bref) est de faire correspondre une formule à une substance inconnue, ou à reconnaître. Je commencerai par résumer la pratique du laboratoire. Elle nous conduira à des conclusions provisoires. Et je concluerai par un parallèle avec l'étude du langage.
On peut définir la chimie comme science des transformations de la matière. Est-ce à dire qu'elle s'intéresse à tel ou tel état, qu'elle traite en particulier des diverses molécules isolées ou synthétisées? Le risque d'éparpillement est grand, puisqu'on a répertorié dans les Chemical Abstracts plus de 15 millions de molécules existantes. Le regroupement s'impose, en grandes familles, que la chimie organique nomme quant à elle des fonctions.
La chimie serait-elle davantage l'étude des interconversions, c'est-à-dire des réactions faisant passer un assemblage d'atomes d'une configuration géométrique à une autre? En fait, les deux aspects coexistent. La statique et la dynamique chimique sont les deux faces d'une même pièce. La science chimique ne peut se passer ni de l'une, ni de l'autre. Nous verrons que l'une et l'autre ont comme point commun de mettre entre parenthèses la matérialité de la chimie.
Je m'intéresserai ici au tout premier stade, celui dans lequel la chimie se collette avec la matière brute, pour en déterminer puis en affirmer le contenu: on appelle analyse chimique l'ensemble des opérations par lesquelles est déterminé le nombre de substances présentes dans un échantillon, et ce en quoi elles consistent.
Prenons un exemple concret. Un article en page 18 du journal LE MONDE daté du dimanche 24-lundi 25 août 1997, signé de Laurence Folléa, s'intitule "30 000 tétines contaminées ont été retirées du marché", avec comme sous-titre "Un test de «Que choisir» a établi la présence d'agents cancérogènes". On lit, dans le corps de l'article, la phrase "Leur dosage fait appel à des techniques de mesures chimiques éminemment complexes, dites de chromatographie en phase gazeuse."
Glissons sur la rhétorique de cette journaliste, qui sacrifie d'autant plus volontiers à la chimiophobie ambiante que le qualificatif (respectueux? dédaigneux? ou simplement paresseux?) "éminemmement complexes" lui épargne un effort de compréhension. La chromatographie en phase gazeuse n'a rien de bien sorcier. Comme elle est au contraire le prototype des méthodes d'analyse utilisées couramment dans les laboratoires, nous y aurons recours pour présenter l'objectif de l'analyse chimique, transformer la matière en de l'information. Je commencerai donc par expliciter ce que la journaliste a trouvé trop compliqué pour le lectorat du MONDE.
Au départ, nous sommes ainsi confrontés avec des tétines pour biberon, un échantillon d'un matériau élastique et plastique, lisse, d'une certaine couleur. Pour analyser cette matière, qui se présente à lui à l'état solide, le premier geste du chimiste est de la disperser, de séparer les uns des autres les granules qui la composent. Pour ce faire, il dissout un fragment minuscule (moins d'un milligramme suffit amplement) de tétine dans un solvant: il s'agit d'un liquide, comme l'alcool, l'éther ou l'acétone (qui sert aussi de dissolvant pour le vernis à ongle). La solution résultante contient désormais, sous la forme d'un liquide apparemment homogène, toutes les molécules provenant du prélèvement fait sur la tétine. La diversité matérielle apparente des existants initiaux, prélevés dans la nature, est d'ores et déjà gommée par cette mise en solution.
On injecte alors ce mélange, au moyen d'une seringue tout-à-fait similaire à celles servant à introduire des médicaments (ou des drogues) dans l'organisme, dans un four qui le vaporise. Toutes les molécules, celles du solvant comme celles de la tétine du biberon, sont alors entraînées par un courant gazeux (d'un gaz très peu réactif comme l'hélium) dans une course d'obstacles. Elles ont à franchir quelques dizaines de mètres d'un tube rempli d'une résine solide, freinant le transit du gaz, car les molécules présentes viennent se coller à la surface des corpuscules de cette résine, avant d'en être détachées par le flux gazeux: tout comme on peut voir, dans un torrent de montagne, des branchages se faire accrocher un certain temps par les rochers, avant d'être entraînés par le courant.
À l'issue de ce parcours, les molécules ont été triées, d'après leurs forme et polarité. Certaines se sont faufilées plus ou moins rapidement. D'autres ont été coincées plus longtemps. Bref, le détecteur à la sortie de la colonne chromatographique ne perçoit plus, si la séparation a été efficace, qu'une succession de sous-populations homogènes: d'abord les molécules A les plus rapides, puis les molécules B un peu moins rapides, et ainsi de suite, jusqu'aux molécules X, Y ou Z , les plus lentes.
Et c'est ainsi qu'on met en évidence la présence de nitrosamines, qui sont souvent des molécules toxiques, cancérigènes sur différents animaux de laboratoire, dans des tétines de biberons de marque Rémond, ce qui crée une certaine émotion: dès les jours suivants, le fabricant répond à Que Choisir, le secrétariat d'État chargé de la consommation procède à des contrôles, faudra-t-il retirer certaines tétines du marché?
Mais revenons à cette technique de base de la chimie analytique, la chromatographie en phase gazeuse. Elle a séparé les molécules injectées, celles du solvant et celles de la tétine, une population hétéroclite, en des sous-groupes homogènes, dont tous les individus sont identiques les uns aux autres, dans chacun de ces sous-ensembles.
À cette étape de séparation s'est superposée une phase de détection: d'une manière ou d'une autre, et peu importe ici le dispositif technique utilisé, l'arrivée de chacun des groupes ou pelotons moléculaires à la fin de l'étape chromatographique s'est traduite par un signal électrique dans un instrument de mesure. Un échantillon de matière a été converti en information, sous la forme d'un pic dont la forme renseigne, à la fois sur le nombre des molécules correspondantes et sur leur nature.
Ce processus de traduction est fondamental. La chimie moderne fait du traitement de l'information tout autant que des manipulations matérielles. Certes, ces dernières sont indispensables et constituent le point de départ obligé. Mais, presqu'immédiatement, comme le montre l'exemple des tétines, le chimiste travaille sur une information, il exploite divers signaux: dans l'exemple de la chromatographie, il compte des pics sur un écran ou sur un papier enregistreur, ce qui lui indique le nombre de substances différentes coexistant dans l'échantillon étudié.
L'étape suivante est d'identification: il s'agit maintenant d'injecter dans la même colonne chromatographique des substances connues, prises sur l'étagère du laboratoire, et d'observer des coïncidences entre les pics observés pour les substances inconnues et pour celles de référence: présentons les choses de la sorte, au moins temporairement, car ce n'est plus ainsi qu'on procède en pratique. Retenons-en seulement le principe.
Comment procède-t-on en pratique? Chacun des pics est analysé à son tour: les molécules correspondantes, frappées par des faisceaux d'électrons de haute énergie, sont brisées en fragments, et ces derniers sont ionisés, pour former des ions positifs, triés suivant leur rapport charge/masse, dans un spectromètre de masse. De plus, on détermine la masse de chacun de ces ions avec une précision telle qu'elle fournit, compte-tenu des abondances naturelles de chacun des isotopes (rappelons que des atomes d'isotopes ont les mêmes nombres de protons, mais diffèrent par le nombre des neutrons), la composition élémentaire de chacun de ces fragments. Le principe reste le même que ci-dessus: attribution d'une identité à une espèce chimique, ici un fragment moléculaire, à partir d'une "signature" qui le caractérise sans équivoque.
Sachant ainsi que la molécule inconnue, dont on a déterminé aussi la masse globale, comporte tel ou tel fragment, on peut en inférer l'assemblage de ses diverses composantes, tout comme on recompose un puzzle.
La spectrométrie de masse est l'une des grandes ressources de l'analyse spectrale. L'autre est la résonance magnétique nucléaire (rmn): l'absorption d'un rayonnement électromagnétique (dans le domaine des ondes radio qui nous est familier par la modulation de fréquence), par les moments magnétiques des noyaux des atomes, lorsque tout l'échantillon baigne dans un champ magnétique intense, fournit un ensemble d'absorptions ou spectre. Chacune de ces raies spectrales "signe" un groupement d'atomes qu'elle caractérise, par exemple un groupement carbonyle C=O, un groupement méthyle CH3, un groupement phényle C6H5, …


Le système de signes

Ce faisant, le chimiste a transformé — et, je répète, peu importent à ce stade les dispositifs matériels ayant assuré cette transduction —  le système matériel, issu de la nature, en un ensemble de signes et de représentations, informatiques et cérébrales. Il aura pu avoir recours, de manière complémentaire ou indépendante de ce qui vient d'être décrit (couplage chromatographie-spectrométrie de masse et rmn), à la détermination de la structure de la molécule au moyen de la diffraction des rayons X par un cristal de ladite molécule, qu'il lui aura fallu obtenir au préalable.
Quoi qu'il en soit, il aboutit de la sorte à une formule et à un modèle, dans l'espace à trois dimensions: les atomes y sont disposés suivant leur arrangement, à l'échelle microscopique; leurs distances sont figurées à l'échelle; on distingue d'un coup d'œil les atomes qui sont plus proches voisins, réunis qu'ils sont par des liaisons chimiques; bref, de même que le contrôleur fiscal s'aide du relevé du terrain dressé par un géomètre, de même que l'architecte "voit" sa construction à venir sur une maquette, le chimiste dispose ainsi d'une figuration des relations spatiales entre atomes dans la molécule, cette entité si petite qu'elle reste impossible à voir, même à une vue aidée d'instruments.
Le système de signes inhérent dans la formule ou le modèle résulte d'une construction historique, achevée pour l'essentiel vers le début du XXe siècle. Les grandes étapes en furent: la nomenclature mise au point dans les années 1780 par Fourcroy, Guyton de Morveau et Lavoisier; la théorie atomique introduite par John Dalton juste avant 1810; la notion, antiréaliste mais si féconde, de radical que nous devons, vers les années 1850, à Justus von Liebig, Auguste Laurent et Jean-Baptiste Dumas, entre autres (il est plus fructueux de concevoir la molécule d'éthanol C2H5OH, par exemple, comme union des deux radicaux, fictifs, éthyle C2H5 et hydroxy OH que comme somme des deux molécules bien réelles d'éthylène C2H4 et d'eau H2O); et la chimie structurale, ouverte dans le dernier tiers du XIXe siècle, par August Kekulé, Archibald Couper, Jacobus Henricus van't Hoff, Achille Le Bel, Louis Pasteur et d'autres encore.
Passons aux composantes de ce système de signes: ce sont les atomes du tableau périodique de Dimitri Mendéléiev, avec les symboles typographiques arbitraires qui les désignent (C pour carbone, Na pour sodium), et, pour chaque atome, la disposition dans l'espace de ses liaisons virtuelles avec d'autres atomes. Par exemple, il existe trois types d'atomes de carbone, digonaux, trigonaux et tétraédriques, avec des liaisons au nombre de deux et coaxiales; au nombre de trois et coplanaires; au nombre de quatre et dirigées vers les quatre sommets d'un tétraèdre. Décrites ainsi, ce sont des idéalités, ce sont comme des stéréotypes platoniciens.
Et ces modules élémentaires sont assemblés les uns avec les autres en une molécule, suivant une connectivité (un groupement CH3 lié à un groupement CH2 lui-même lié à un groupement OH dans la molécule d'éthanol précitée) fournie par l'analyse spectrale.
Remarquons, à ce stade de la description que l'analyse chimique a substitué, à ces données phénoménologiques immédiates que sont l'aspect, la texture, le grain ou le poli d'un échantillon matériel (la tétine) des êtres discrets, idéalisés, postulés à l'échelle microscopique, incapables d'existence autonome et d'existence tout court que sont un atome de carbone ou d'oxygène tétraédriques. Remarquons aussi la ressemblance avec le langage: mon interlocuteur émet des ondes sonores, dont l'amplitude et la fréquence varient durant une fraction de seconde; mais j'entends l'un des phonèmes de la langue française, par exemple celui correspondant à la lettre a dans "patte".  Car le cerveau a procédé spontanément à une analyse harmonique de Fourier, il a établi implicitement un spectre de puissance en fréquences, où il a reconnu à sa forme l'élément signifié, le a de "patte". On peut pousser l'analogie assez loin: les radicaux présents dans une molécule ont un statut comparable à celui des phonèmes.


La langue des spectres

Détaillons un peu cette analogie. Pour identifier des nitrosamines dans la tétine, la chromatographie en phase gazeuse les a séparées, dans un premier stade, des autres molécules de l'échantillon. Puis l'analyse spectrale les a caractérisées, fournissant la formule de chacune des nitrosamines présentes, et leurs quantités relatives.
Ainsi, l'analyse spectrale est comme un langage, puisqu'elle associe divers signifiés, les formules de ces diverses nitrosamines en l'occurrence, aux signifiants que sont leurs spectres. Mais remarquons que les véritables signifiants et signifiés élémentaires sont, d'une part les fréquences discrètes d'absoprtion présentes dans un spectre, d'autre part les groupements d'atomes ou radicaux présents dans une molécule.
Remarquons aussi la distinction d'avec une langue naturelle, car ici l'association du signe avec la chose signifiée n'est pas arbitraire; elle est, au contraire, fondée intrinsèquement. Elle est à la fois nécessaire et empirique: l'observation d'un pic, à une certaine fréquence et avec un certain aspect, dans le spectre de rmn de l'éthanol signifie "CH3", non parce que j'en ai décidé ainsi, mais parce que c'est ainsi. Le seul moment arbitraire, ici, est l'appellation "méthyle" pour ce groupement d'atomes CH3.
Ce qu'il importe de noter, dans l'argument présenté ici, est que l'analyse spectrale — à laquelle on donnera ici, sans qu'il y aît besoin d'autre justification, une fonction allégorique de l'analyse chimique, plus généralement — a remplacé la matière par un spectre (ou un ensemble de spectres). Elle ne raisonne plus que sur ces fantômes: ces fantômes sont devenus la réalité, la seule réalité, et la matière est désormais mise entre parenthèses.
Dès lors, le chimiste tient le spectre pour seule réalité, dans la mesure où il est le représentant, fiable, d'une population moléculaire inaccessible à nos sens. Le chimiste lit le spectre comme un ensemble de sèmes, renvoyant à telle molécule (ou macromolécule) provenant certes de l'échantillon matériel.
Mais le spectre lui aussi n'est qu'une étape. Dès qu'il a été lu et compris, c'est l'objet moléculaire qui se démasque derrière lui; et qui prend la forme de telle ou  telle représentation — arbitraire quant à elle: on peut se représenter l'éthanol comme un ensemble de boules accolées, ou comme des boules reliées par des tiges —, qui à son tour sera la figure qu'aura prise alors la réalité aux yeux du chimiste.
Les représentations que l'imaginaire chimique se donne des molécules par leur modélisation forment des langages semblables aux autres langages humains: les chimistes s'accordent sur leur lexique et sur leur syntaxe, et reconnaissent tel ou tel de leurs aspects conventionnels.


Mutation du laboratoire: du travail sur la matière à la transformation des signes

Ainsi le laboratoire achève-t-il de devenir le lieu d'un travail symbolique sur la matière. Certes, les chimistes continuent à effectuer des opérations matérielles sur les substances: outre la plus importante, leur synthèse, sur laquelle nous reviendrons, ils se livrent à leur isolement, à leur purification, à leur modification (dans des buts allant d'une volatilité augmentée à une meilleure cristallisation et à une activité médicamenteuse désirable), …
Mais le travail "dématérialisé" s'il ne prime peut-être pas encore sur le travail matériel, ce travail intellectuel s'est donné d'ores et déjà une importance comparable. Son outil principal est l'ordinateur, mis à contribution pour des tâches diverses: représenter l'objet sous forme d'un modèle moléculaire, et le présenter dans l'espace à trois dimensions; prévoir ses fréquences de vibration dans la partie infrarouge du spectre; prédire de même les spectres de résonance magnétique de noyaux tels ceux d'hydrogène et de carbone-13; cartographier la densité des électrons ou le champ électrostatique en différents points au voisinage des noyaux d'une molécule; prévoir la longueur d'onde des maxima d'absorption de la lumière visible et donc la couleur d'une molécule; etc …
Le passage de l'échelle macroscopique, celle des qualités sensibles, à l'échelle microscopique, celui de l'objet moléculaire (par l'entremise des assemblées moléculaires) s'accompagne aussi d'une mutation de l'observation expérimentale au calcul théorique. On pourrait définir l'objectif de l'analyse chimique, aujourd'hui, comme étant la tabulation alphanumérique des constituants d'un mélange. La matière est envisagée sous l'angle démographique: elle comporte divers sous-ensembles (ou sous-populations), dont chacune a un nombre d'individus, moléculaires, qu'on détermine avec une étonnante précision.
L'histoire de l'analyse, l'épidode de la découverte et de l'avènement de la spectroscopie y compris, se lit donc aussi et à la fois comme une histoire de l'augmentation de la sensibilité des mesures, et comme histoire d'une distanciation progressive d'avec les propriétés immédiates. Au XVIIIe siècle, lorsque Gabriel Venel rédigeait l'entrée CHYMIE de l'Encyclopédie, on pratiquait l'analyse par le feu, et l'analyse par les menstrues (= solvants, en parler d'aujourd'hui). Ces deux modalités ont donné naissance, à la spectroscopie d'une part, aux méthodes chromatographiques d'autre part, mais au prix d'un éloignement.
Qu'en est-il pour la chromatographie? S'interposent entre l'échantillon matériel et le chromatogramme qui le représente, d'abord un solvant, puis une boîte noire faite de granules de diverses résines, puis un autre solvant ou éluant servant à balayer les molécules adsorbées à la surface du support chromatographique, puis un détecteur physique (mesurant, par exemple, les variations de l'indice de réfraction), puis un convertisseur produisant un signal électrique, suivi d'une autre boîte noire, électronique et numérique: amplificateurs, accumulateurs, lisseurs, intégrateurs, … de signal.
Si l'on ajoute à ce tableau qu'en règle générale les échantillons matériels sont minuscules, avec des masses souvent comprises entre le microgramme et le milligramme, on en conclura que le chimiste d'aujourd'hui manipule surtout des représentations; et que le laboratoire du chimiste, davantage qu'un lieu de transformation de la matière, est devenu surtout un lieu de production de concepts.


On a coutume de comparer et confronter analyse et synthèse comme deux versants jumeaux, ou comme des activités complémentaires. La première est plus ancienne assurément. La synthèse admet comme moments forts de sa fondation, tout d'abord la mise à mal du vitalisme lorsque Wöhler synthétise l'urée en 1828, puis les grandes synthèses de Marcelin Berthelot dans la seconde moitié du XIXe siècle, celle de l'acétylène en particulier.
Ce qui précède, au sujet de l'analyse comme procès de dématérialisation laisserait attendre, en contraste, la synthèse comme l'indispensable rematérialisation: ce qui est vrai, dans une approche naïve et superficielle. Chacune des étapes de la synthèse multi-stades d'une substance naturelle complexe, quinine, strychnine ou taxol, se traduit par l'obtention d'une certaine quantité d'un intermédiaire qu'on pèse et qu'on fiche, au moyen de ses données d'analyse spectrale, tout comme un nouveau-né.
Mais la réalité de la démarche synthétique est autre. C'est un processus algorithmique, un enchaînement logique (lui aussi assisté par ordinateur) dans lequel des radicaux sont additionnés graduellement à la structure en cours d'élaboration. Dans la synthèse, tout comme dans l'analyse, des idéalités priment sur une matérialité. Et cette dernière ne s'exprime qu'au moment du bilan, lorsqu'on établit le rendement de chacune des étapes.
Mais on se récrira, à la lecture de ces lignes: n'y a-t-il aucun retour à la réalité, à cette matière protéiforme, tantôt granuleuse, tantôt fluide, aux aspects si incroyablement et imprévisiblement changeants, que les chimistes contiennent et observent dans la verrerie de laboratoire?
On peut donner une réponse affirmative, et elle est intéressante. L'objet moléculaire, représentation de la molécule sous forme de boules colorées (atomes) et de tiges (liaisons entre atomes), ce modèle moléculaire qu'il tient entre ses mains, ou qu'il scrute sur l'écran de l'ordinateur, sert de matériel de substitution au chimiste d'aujourd'hui. L'objet moléculaire s'apparente de la sorte à l'objet transitionnel, qui occupe une place centrale dans la théorie psychanalytique de D.W. Winnicott.
On est tenté aussi de chercher la rematérialisation, dont notre esprit dans sa quête d'harmonie voudrait se satisfaire, dans l'industrie chimique, puisque la science chimique des laboratoires universitaires semble l'avoir larguée. Las, bien que l'industrie chimique reste l'un des hauts lieux de l'empirisme, le visiteur d'une usine est vite découragé: il ne voit, en fait de matière, que de la matière première très banale ou du produit fini, emballé.
Entre les deux, s'interposent de la grosse chaudronnerie (les "casseroles", comme on dénomme affectueusement les réacteurs), des canalisations d'où fuse ici et là de la vapeur d'eau, contrôlées les unes et les autres d'un pupitre, environné de nombreux cadrans où s'affichent températures, pressions, viscosités, et autres paramètres en différents points du dispositif: à la matière s'est substituée une hydrographie complexe, suivie et régie par ordinateur.

Nous concluerons donc que la chimie n'est science de la matière que de manière très formelle, seulement. Elle est bien davantage une science de l'esprit, une combinatoire, tout comme la musique, combinatoire elle aussi, transcende l'acoustique et s'installe à demeure dans la sphère de l'intellect.


Références

Pierre Laszlo, entrées "Alcool", "Analyse", "Chimie", "Chromatographie", "Laboratoire", du Trésor, dictionnaire des sciences, sous la direction de Michel Serres et Nayla Farouki, Flammarion, Paris, 1997 (sous presse).

Pierre Laszlo, La chimie nouvelle, Flammarion-Dominos, Paris, 1995.

Pierre Laszlo, La parole des choses, Hermann, Paris, 1993.

Pierre Laszlo, "Belaboring the obvious: chemistry as sister science to linguistics," contribution à la réunion de Marburg, 16-17 septembre 1996, The autonomy of chemistry in relationship to the other natural sciences, Peter Janich et Nicolaos Psarros, éds., sous presse