Ses travaux sur les modèles pour déterminer les structures cristallines chimiques vitales pour la vie ont révolutionné la chimie
Herbert A. Hauptman (1917-2011)- Biographie
Je suis né à New York le 14 février 1917, l’aîné d’Israel Hauptman et de Leah Rosenfeld. J’ai deux frères, Manuel et Robert. J’ai épousé Edith Citrynell le 10 novembre 1940. Nous avons deux filles, Barbara (1947) et Carol (1950). Mon intérêt pour la plupart des domaines des sciences et des mathématiques a commencé à un âge précoce, dès que j’ai appris à lire, et se poursuit à ce jour. J’ai obtenu le diplôme BS en mathématiques du City College de New York (1937) et le diplôme MA en mathématiques de l’Université de Columbia (1939). 
Après la guerre, j’ai pris la décision d’obtenir un diplôme supérieur et de poursuivre une carrière dans la recherche scientifique fondamentale. Dans la poursuite de ces objectifs, j’ai commencé une collaboration avec Jerome Karle au Naval Research Laboratory à Washington, D.C. (1947) et en même temps je me suis inscrit au doctorat programme à l’Université du Maryland. La collaboration avec le Dr Karle s’est avérée fructueuse car sa formation en chimie physique et la mienne en mathématiques se complétaient bien. Non seulement cette combinaison nous a permis d’aborder de front le problème de phase de la cristallographie aux rayons X, mais ce travail a également suggéré le sujet de ma thèse de doctorat, « An N-Dimensional Euclidean Algorithm ». En 1954, j’avais obtenu mon diplôme doctorat et le Dr Karle et moi avions jeté les bases des méthodes directes en cristallographie aux rayons X. Notre monographie de 1953, « Solution du problème de phase I. Le cristal centrosymétrique », contient les idées principales, dont la plus importante était l’introduction de méthodes probabilistes, en particulier les distributions de probabilité conjointes de plusieurs facteurs de structure, comme outil essentiel pour détermination des phases.
Dans cette monographie, nous avons également introduit les concepts des invariants de structure et des semi-variants, des combinaisons linéaires spéciales des phases, et les avons utilisés pour concevoir des recettes de spécification d’origine dans tous les groupes spatiaux centrosymétriques. L’extension aux groupes spatiaux non centrosymétriques s’est faite quelques années plus tard. La notion d’invariants et de semi-variants de structure s’est avérée particulièrement importante car ils servent également à relier les intensités de diffraction observées aux phases nécessaires des facteurs de structure. ![PDF] Materials Characterization Techniques by Sam Zhang eBook | Perlego](https://www.perlego.com/books/RM_Books/taylor_francis_lm_feonmi/9781420042955.jpg)
En 1970, j’ai rejoint le groupe cristallographique de la Medical Foundation of Buffalo* dont j’ai été directeur de recherche en 1972, en remplacement du Dr Dorita Norton. Mon travail sur le problème de phase continue à ce jour. Au cours des premières années de cette période, j’ai formulé le principe du voisinage et le concept d’extension, ce dernier étant indépendamment proposé par Giacovazzo sous le terme de « théorie des représentations ». Ces idées ont jeté les bases des théories probabilistes des invariants et des semi-variants de structure d’ordre supérieur qui ont été développées à la fin des années 70 par moi-même et d’autres. Au cours des années 80, j’ai initié des travaux sur le problème de la combinaison des techniques traditionnelles des méthodes directes avec le remplacement isomorphe et la dispersion anormale dans le but de faciliter la résolution des structures cristallines macromoléculaires. Ce travail se poursuit jusqu’à nos jours. Plus récemment, j’ai formulé le problème de phase de la cristallographie aux rayons X comme un principe minimal dans la tentative de renforcer les techniques existantes des méthodes directes. Avec nos collègues Charles Weeks, George DeTitta et d’autres, nous avons fait les premières applications avec des résultats encourageants.
Herbert A. Hauptman était un chimiste physique et structurel à la Medical Foundation of Buffalo. Il a partagé le prix Nobel de chimie 1985 avec Jerome Karle « pour leurs réalisations exceptionnelles dans le développement de méthodes directes pour la détermination des structures cristallines ».
La science Nobel : cent ans de cristallographie
Résumé
La cristallographie aux rayons X est la technique la plus courante pour la détermination de structures cristallines tridimensionnelles à l’échelle atomique. Depuis la découverte de la diffraction des rayons X par les cristaux il y a plus de cent ans, la technique est devenue un outil indispensable pour les scientifiques des matériaux et les biologistes structurels du monde entier. Dans cette revue, plusieurs étapes importantes dans le développement de la cristallographie aux rayons X sont présentées, ainsi que de nombreux lauréats du prix Nobel qui ont contribué de manière significative au succès de la méthode. Nous concluons par un regard sur les défis actuels dans le domaine et spéculons sur les développements majeurs qui pourraient conduire au prochain prix Nobel lié à la cristallographie aux rayons X.
La cristallographie aux rayons X a été une technique essentielle pour l’analyse structurale au cours des cent dernières années. Il nous a permis de voir le monde à une échelle qui était auparavant impossible, en donnant des informations en trois dimensions et un aperçu des mécanismes structurels et des fonctions des matériaux importants et des molécules biologiques. Celles-ci vont du diamant et de l’acier au ribosome entier. Les méthodes sont devenues si largement utilisées et automatisées que les différentes étapes du pipeline cristallographique sont devenues de plus en plus optimisées. Le criblage de cristallisation à haut débit à l’aide de robots permet aux scientifiques de tester des milliers de conditions de cristallisation avec un minimum d’effort. Plusieurs installations synchrotron existent dans le monde, qui génère des sources lumineuses de rayonnement X adaptées pour obtenir une diffraction améliorée à partir de cristaux plus petits. 
L’automatisation des procédures de collecte et de traitement des données est devenue la norme dans le pipeline de détermination de la structure, éloignant l’utilisateur des subtilités complexes de l’analyse des données de diffraction. Tous ces aspects permettent aux utilisateurs inexpérimentés de résoudre des structures assez complexes, ce qui en fait un outil réalisable et accessible pour les débutants. Les structures qui échappaient à la détermination il y a quelques décennies sont devenues routinières aujourd’hui. Or la cristallographie est un outil indispensable et son utilisation est cruciale pour plusieurs industries, dont l’industrie minière, pharmaceutique ou encore l’aéronautique. L’importance de la cristallographie aux rayons X est attestée par le nombre de prix Nobel relatifs à la technique qui ont été remportés jusqu’à présent.
La naissance d’un nouveau domaine scientifique : la cristallographie des rayons X
Un nouveau type de rayons
De plus, les rayons X ne changeaient pas de direction en présence d’un champ magnétique comme le faisaient les rayons cathodiques (Dahl 1997). L’importance des propriétés de ces rayons était qu’ils ont été presque immédiatement utilisés à des fins médicales pour générer des images de l’intérieur du corps humain (Simmons 2002) et Röntgen a reçu le premier prix Nobel de physique en 1901 pour sa découverte. Les rayons X étaient produits par l’accélération des électrons et le même principe est utilisé pour générer des rayons X dans les synchrotrons de troisième génération aujourd’hui (Mitchell, Kuhn et Garman 1999). Cependant, l’origine de ces rayons n’était pas la question critique en 1900, c’est en fait leur nature qui a suscité un débat important parmi les contemporains de Röntgen.
Pendant des siècles, la question de savoir si la lumière visible était une particule ou une onde était restée sans réponse. Un débat sérieux sur la nature de la lumière remonte au XVIIe siècle lorsque Isaac Newton avait proposé une théorie particulaire (ou aussi communément appelée théorie corpusculaire) de la lumière. L’opposition à la théorie des particules à l’époque venait en grande partie de Robert Hooke et Christaan Huygens qui affinaient la théorie ondulatoire de la lumière (Baierlein 1992). Au cours des siècles suivants, les recherches de Thomas Young et les travaux théoriques et expérimentaux d’Augustin-Jean Fresnel ainsi que les équations de James Clerk Maxwell montrant que les ondes électromagnétiques se déplacent à la vitesse de la lumière avaient pratiquement confirmé leur nature ondulatoire. Cependant, au début du XXe siècle, la théorie ondulatoire de la lumière présentait des fissures. Il n’a pas réussi à expliquer les résultats d’expériences menées en 1887 par Heinrich Hertz et en 1902 par Philipp Lenard concernant l’émission d’électrons à partir de métaux en utilisant la lumière ultraviolette, connue sous le nom d’effet photoélectrique (Ewald 1962). Albert Einstein a proposé une explication théorique de ce phénomène décrivant les quanta de lumière comme une entité physique réelle, par opposition à un simple concept théorique tel que perçu par Max Planck (Pais 1979), pour lequel Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921.
À ce stade, cependant, il n’était pas clair si les rayons X étaient même liés à la lumière visible (Stuewer 1971) et encore moins s’il s’agissait d’ondes ou de particules (Holton et al. 2014). En 1906, Charles Glover Barkla avait montré que les rayons X pouvaient être polarisés et cela est devenu la preuve clé qu’ils étaient de nature ondulatoire. Cependant, grâce aux travaux de Sir William Henry Bragg sur la radioactivité à l’Université d’Adélaïde, les mêmes preuves qui ont été considérées comme soutenant la théorie ondulatoire de la lumière pourraient également être interprétées par une description corpusculaire des rayons X (Stuewer 1971). Il faudrait l’intuition de Max von Laue pour ajouter des preuves indiscutables de la nature ondulatoire des rayons X.
Les activités académiques de Max von Laue se sont généralement orientées vers des problèmes physiques fondamentaux, c’est pourquoi un doctorant, Paul Peter Ewald, a visité Laue pour demander de l’aide sur son sujet de thèse. Il était basé sur la façon dont les ondes lumineuses interagissent avec un réseau d’atomes polarisables et Ewald avait tiré des conclusions inattendues de ses résultats. Bien que Laue ne puisse pas aider Ewald, il était néanmoins intrigué par un problème découlant des travaux d’Ewald et voulait connaître l’effet du passage de la lumière avec une longueur d’onde inférieure à travers le réseau (Ewald 1962). Très peu de temps après, Laue a réalisé des expériences en collaboration avec Walter Friedrich et Paul Knipping dans lesquelles ils ont fait passer des rayons X à travers des cristaux de sulfate de cuivre, produisant des diagrammes de diffraction (Friedrich, Knipping et Laue 1913) prouvant la nature ondulatoire des rayons X et valider la description du réseau spatial des cristaux (Eckert 2012). Max von Laue a reçu le prix Nobel en 1914 pour avoir découvert la diffraction des rayons X par les cristaux (Nobelprize.org 2015b). 
L’éminent polymathe, Henri Poincaré, aurait dit « si la valeur d’une découverte doit être mesurée par la fécondité de ses conséquences, le travail de Laue et de ses collaborateurs doit être considéré comme peut-être le plus important de la physique moderne » (Stuewer 1971). Malheureusement, Poincaré est mort à l’été 1912 et n’a donc pas vécu pour voir la véracité de sa déclaration. Ce n’est qu’un an après la découverte de Laue qu’un duo père et fils basé en Angleterre a fait le pas de géant suivant, et leur découverte allait changer la compréhension du monde tel que nous le connaissions.
Création d’une nouvelle discipline scientifique 
Bien que Friedrich, Knipping et Laue aient réussi à démontrer la diffraction des rayons X, leur interprétation initiale du phénomène était erronée. Comme l’a noté un jeune Henry Moseley dans une lettre à sa mère en novembre 1912, « les hommes qui ont fait le travail n’ont absolument pas compris ce que cela signifiait et ont donné une explication qui était manifestement fausse » (Heilbron 1974). Le professeur de physique de l’Université de Leeds Cavendish, William Henry Bragg (WHB), et son fils William Lawrence Bragg (WLB) étaient bien conscients de la mauvaise interprétation de Laue et Moseley écrit qu’il savait déjà que ‘Bragg et son fils avaient trouvé une explication quelques jours avant nous… Nous leur laissons donc le sujet ».
Étant un partisan des vues de son père, WLB a tenté, sans succès, d’expliquer les résultats de Laue en utilisant une théorie corpusculaire des rayons X. De plus en plus, il est devenu convaincu qu’une explication n’était possible que via une description de vague. Laue avait proposé que le diagramme de diffraction était le résultat de la diffraction de certaines longueurs d’onde du faisceau de rayons X par le réseau cristallin (Ewald 1962). Cependant, WLB a remarqué que les réflexions devenaient de forme plus elliptique à mesure que la plaque était éloignée de l’échantillon. Le modèle de WLB de ce phénomène peut être vu dans la figure 2 d’un article intitulé « La diffraction des ondes électromagnétiques courtes par un cristal » (Bragg 1913a). Ce phénomène ne pouvait pas être expliqué par les idées de Laue mais plutôt par l’idée que les rayons X étaient réfléchis sous différents angles par des plans d’atomes dans le cristal. C’est WLB qui a proposé la célèbre équation qui relie la distance, d, entre les plans d’atomes dans un cristal à la position d’une réflexion sur un détecteur via l’angle de réflexion, θ, connue sous le nom de loi de Bragg. : nλ = 2d Sinθ
Où λ est la longueur d’onde du rayonnement incident et n est un nombre entier indiquant le nombre de longueurs d’onde de différence de longueur de trajet pour les rayons X qui ont été réfléchis à partir de plans successifs. En utilisant ce nouveau modèle de diffraction des rayons X, WLB a réussi à résoudre la structure du cristal de blende de zinc (Bragg 1913a). William Pope, professeur de chimie à Cambridge, a encouragé WLB à résoudre les structures d’autres cristaux, notamment NaCl et KCl.
Il convient de noter que bien que WLB ait utilisé une description d’onde des rayons X pour résoudre les résultats expérimentaux de Laue, les deux Bragg ont toujours soutenu l’idée que la description des particules des rayons X était encore nécessaire pour expliquer certaines observations expérimentales. En réponse aux résultats de Laue, WHB a fait remarquer que « le problème devient alors, me semble-t-il, non pas de décider entre deux théories des rayons X, mais de trouver… une théorie qui possède les capacités des deux » (Ewald 1962). La question ne sera pas résolue avant la découverte par Arthur Compton de « l’effet Compton » en 1922, qui a démontré la nature particulaire du rayonnement électromagnétique (Stuewer 1971).
Malgré les efforts de WLB pour résoudre les structures cristallines, ce n’est que lorsque WHB a construit le premier spectromètre à rayons X et l’a couplé à une chambre à ions pour mesurer la force des réflexions individuelles que l’analyse de la structure cristalline a vraiment décollé. Les Bragg ont travaillé ensemble tout au long de l’été 1913 et ont fait de nombreuses découvertes. WHB s’intéressait plus aux rayons X qu’aux structures cristallines et il a découvert que les métaux donnent des rayons X avec des énergies caractéristiques (Ewald 1962), une propriété qui est aujourd’hui exploitée dans l’émission de rayons X induite par des protons à microfaisceaux (microPIXE) pour déterminer quantitativement le métal teneur en protéines (Garman et Grime 2005). WLB était généralement intéressé par la résolution de structures cristallines et une série d’articles de Braggs ont été publiés au cours des deux années suivantes (Bragg 1914b, Bragg et Bragg 1913, Bragg 1913b, Bragg 1914a). Les Bragg avaient ouvert le domaine de l’analyse structurale et avaient reçu le prix Nobel de physique en 1915 pour leurs services dans l’analyse de la structure cristalline au moyen de rayons X (Nobelprize.org 2015c).
Herbert A. Hauptman
Herbert Aaron Hauptman était un mathématicien et cristallographe américain qui a partagé le prix Nobel de chimie 1985 avec Jerome Karle, avec qui il a collaboré, « pour leurs réalisations exceptionnelles dans le développement de méthodes directes pour la détermination des structures cristallines ». Ils ont développé des méthodes mathématiques pour interpréter les motifs formés sur un film photographique par les rayons X diffractés à travers un composé chimique cristallin afin de déterminer sa structure moléculaire. La connaissance de la structure a deux grands avantages. Premièrement, pour comprendre la fonction des molécules dans des contextes biologiques, en particulier ceux des «processus signal-récepteur». Ceux-ci comprennent des processus tels que l’activité enzymatique ; antigène – anticorps ; et substance odorante – récepteur olfactif. Une autre consiste à étudier le mécanisme et la dynamique chimique des réactions.
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1179/0308018815Z.000000000116
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1985/hauptman/biographical/