Jeunesse

Herman Henry William Pauling (~1900)

Pauling naît à Portland (Oregon)^[4], le 28 février 1901. Il est le fils de Herman Henry William Pauling (1876-1910) de Concordia dans le Missouri (originaire d'Allemagne), et de Lucy Isabelle Darling (1881-1926)^[5] de Lonerock dans l'Oregon. Son père, un pharmacien sans succès, déplace sa famille dans différentes villes de l'Oregon^[6]. Quand il meurt en 1910 d'un ulcère perforé, la mère de Linus se retrouve seule pour l'élever lui et ses deux sœurs, Pauline Pauling (1901-2003) et Frances Lucille Pauling (1904-1992)^[7]. La famille revient s'installer à Portland.

Dans son enfance, Linus Pauling est un lecteur vorace, au point que son père écrit un jour au journal local pour demander des suggestions de livres pour l'occuper^[8]. Un de ses amis, Lloyd Jeffress, possède un petit laboratoire de chimie dans sa chambre, et les petites expériences menées dans ce laboratoire donnent à Pauling l'envie de devenir ingénieur chimiste^[9].

Au lycée, Pauling continue d'effectuer des expériences de chimie en empruntant la plupart des matériaux et de l'équipement à une aciérie abandonnée proche du lieu où son grand-père travaille comme gardien de nuit.

Pauling échoue dans l'obtention de son diplôme, en raison de résultats insuffisants en histoire des États-Unis. Son école lui décernera finalement le diplôme 45 ans plus tard, après l'obtention de ses deux prix Nobel^[10].

Études universitaires

Pauling est diplômé de l'université agricole de l'Oregon en 1922.

En 1917, Pauling entre à l'université agricole de l'Oregon à Corvallis (OAC, maintenant université d'État de l'Oregon)^[11]. Du fait de ses besoins financiers, il doit travailler à plein temps en parallèle de ses études, notamment comme distributeur de lait, projectionniste et même sur un chantier naval^[12]. À l'issue de sa deuxième année, il projette de chercher un emploi à Portland pour soutenir sa mère, mais l'université lui propose d'effectuer un enseignement d'analyse quantitative (un cours que lui-même vient de terminer) ce qui lui permet de continuer d'étudier à l'OAC^[13].

Au cours de ses deux dernières années d'études à l'OAC, Pauling prend connaissance des travaux de Gilbert Newton Lewis et Irving Langmuir sur la configuration électronique des atomes et de la manière dont ils se lient pour former des molécules^[13]. Il décide alors de concentrer sa carrière de chercheur sur la compréhension du rapport entre la structure des atomes constituant la matière et ses propriétés physiques et chimiques, ce qui le conduira par la suite à devenir l'un des pionniers d'une nouvelle discipline, la chimie quantique. À l'OAC, il a l'occasion d'effectuer ses premières recherches en travaillant sur l'effet d'un champ magnétique sur l'orientation de cristaux de fer.

En 1922, Pauling reçoit son Bachelor of Science de l'OAC en génie des procédés^[14] et il poursuit ses études par un doctorat au California Institute of Technology (le Caltech) à Pasadena sous la direction de Roscoe Dickinson et Richard Tolman^[15]. Ses travaux de recherche concernent l'utilisation de la diffraction des rayons X pour la détermination de la structure des cristaux. Au cours de ses trois années au Caltech, il publie sept publications sur la structure cristalline de minéraux, la première d'entre elles, publiée dans Journal of the American Chemical Society concernant la structure de la molybdénite MoS₂. Il reçoit son Ph.D. de chimie en 1925 summa cum laude.

Le 17 juin 1923, Pauling épouse Ava Helen Miller (1903-1981), rencontrée lors de sa dernière année à l'OAC, avec qui il aura trois fils et une fille.

Débuts de la carrière scientifique

À la suite de son Ph.D., Pauling obtient une bourse de la Fondation Guggenheim qui lui permet de voyager en Europe, où il travaille sous la direction d'Arnold Sommerfeld à Munich, rencontre brièvement Niels Bohr à Copenhague, mais échoue à rencontrer Erwin Schrödinger à Zurich, tous trois faisant partie des fondateurs et pionniers de la mécanique quantique que Pauling a eu l'occasion de découvrir au cours de ses études à l'OAC. Il a également l'occasion d'observer l'une des premières études de la liaison de la molécule d'hydrogène par la mécanique quantique, effectuée par Walter Heitler et Fritz London. Pauling consacre ses deux années en Europe à ces travaux et décide d'en faire le sujet principal de ses futures recherches. En 1927, il rentre aux États-Unis et obtient un poste de professeur assistant de chimie théorique au California Institute of Technology.

Pauling commence sa carrière au Caltech par cinq années très productives, en appliquant la mécanique quantique à l'étude d'atomes et de molécules, tout en poursuivant ses études de cristaux par diffraction des rayons X. En cinq ans, il produit environ cinquante publications. En 1929, il est nommé professeur associé, puis il obtient le titre de professeur en 1930.

Durant l'été 1930, Pauling effectue un nouveau voyage en Europe, au cours duquel il travaille notamment dans l'institut d'Arnold Sommerfeld, et apprend la possibilité d'utiliser les électrons pour les études de diffraction, de la même manière qu'étaient utilisés jusque-là les rayons X. À son retour, il construit un appareil de diffraction des électrons, aidé par l'un de ses étudiants, L. O. Brockway, et l'utilise pour étudier la structure moléculaire d'un grand nombre de substances chimiques. En 1931, l'American Chemical Society lui décerne le prix Langmuir des travaux scientifiques les plus marquants effectués par un chercheur de moins de 30 ans^[16].

En 1932, Pauling introduit la notion d'électronégativité. En utilisant plusieurs propriétés des molécules, notamment leur moment dipolaire et l'énergie nécessaire pour rompre des liaisons, il établit une échelle d'électronégativité (connue maintenant sous le nom d’échelle d'électronégativité de Pauling, utile pour la prédiction de la nature des liaisons chimiques) et associe une valeur d'électronégativité à la plupart des éléments chimiques. Cette même année, Pauling publie ce qu'il considère comme sa publication la plus importante, dans laquelle il développe pour la première fois le concept d'hybridation des orbitales atomiques et effectue une analyse du caractère tétravalent de l'atome de carbone^[17]. Il présente notamment ces résultats dans un congrès au cours duquel il rencontre Albert Einstein.

Au Caltech, Pauling se lie d'amitié avec Robert Oppenheimer qui travaille à Berkeley et vient régulièrement à Pasadena effectuer des recherches et des enseignements. Les deux hommes projettent de faire équipe pour l'étude de la nature de la liaison chimique : Oppenheimer effectuerait les calculs mathématiques et Pauling interpréterait les résultats. Cependant cette relation prend fin lorsque Pauling commence à soupçonner Oppenheimer d'être trop proche de sa femme Ava Helen. Un jour que Pauling travaille, Oppenheimer se rend au foyer du couple et laisse échapper une invitation à Ava Helen pour un rendez-vous au Mexique. Celle-ci refuse mais rapporte l'incident à son mari. Cette invitation liée à la nonchalance d'Ava Helen au sujet de l'incident inquiète Pauling qui rompt sur-le-champ ses relations avec Oppenheimer, créant alors entre eux un froid qui durera jusqu'à la fin de leurs vies. Oppenheimer lui proposera pourtant par la suite de prendre la tête du département chimie du projet Manhattan, ce que Pauling refusera, se présentant comme pacifiste.

Mort

En 1993, il subit une radiothérapie pour le cancer de la prostate, et meurt de cette maladie en août 1994^[18].

La nature de la liaison chimique

Au début des années 1930, Pauling commence à publier ses travaux sur la nature de la liaison chimique, qui aboutissent à son fameux livre The Nature of the Chemical Bond en 1939. Ce livre est probablement l'un des plus importants livres de chimie jamais publiés^[19]. Pour donner une idée de son influence, il suffit de remarquer que, dans les 30 années qui ont suivi sa première édition en 1939, il a été cité plus de 16 000 fois; au début du XXI^e siècle, plus de soixante-dix ans après sa publication, de nombreux articles scientifiques le citent encore, atteignant plus de 36 000 citations^[20]. C'est principalement en récompense de ces travaux qu'il recevra le prix Nobel de chimie en 1954, « ses recherches sur la nature de la liaison chimique et leurs applications à la détermination de la structure de substances complexes^[1] ».

Orbitale sp³

Au cours de ses travaux sur la nature de la liaison chimique, Pauling introduit notamment le concept d'hybridation des orbitales atomiques^[21]. Alors que les électrons dans les atomes sont décrits par des orbitales s, p, (…), il montre que pour décrire les liaisons au sein des molécules il est préférable de construire des fonctions qui sont des mélanges de ces orbitales. Par exemple, les orbitales 2p et 2s d'un atome de carbone peuvent se combiner pour former quatre orbitales équivalentes (appelées orbitales hybrides sp³) qui permettent mieux de décrire des composés comme le méthane, à géométrie tétraédrique. De même, l'orbitale 2s peut se combiner avec deux orbitales 2p pour former trois orbitales équivalentes (orbitales hybrides sp²) tandis que la troisième orbitale 2p ne s'hybride pas, ce qui permet de mieux décrire des composés insaturés comme l'éthylène.

L'un des autres domaines auquel il s'intéresse est la compréhension du rapport entre les liaisons ioniques, dans lesquelles les électrons sont transférés d'un atome à l'autre, et les liaisons covalentes, dans lesquelles les électrons sont mis en commun par les atomes. Il montre que ces deux types de liaison sont en réalité des cas extrêmes et que la plupart des liaisons sont en fait un mélange de liaison ionique et de liaison covalente. C'est dans ce domaine que la notion d'électronégativité qu'il développe est la plus utile : la différence d'électronégativité entre deux atomes s'avère être la grandeur la plus pertinente pour prédire le degré d'ionicité d'une liaison^[22].

Structure du benzène

Le troisième sujet auquel travaille Pauling dans le domaine de la liaison chimique est la compréhension de la structure des composés aromatiques, et notamment du plus simple d'entre eux, le benzène^[23].

Jusque-là, la meilleure description de la structure du benzène avait été faite par le chimiste allemand Friedrich Kekulé von Stradonitz. Celui-ci avait décrit cette structure comme résultant de la transition rapide entre deux structures dans lesquelles les liaisons simples et doubles seraient alternées, les liaisons simples venant prendre la place des doubles et réciproquement. Pauling montre qu'une description intermédiaire entre les deux structures, basée sur la mécanique quantique, est plus pertinente : plutôt que deux structures en transition rapide, il s'agit plutôt de la superposition de deux structures. Ce phénomène sera plus tard baptisé du nom de résonance^[24]. D'un certain côté, ce phénomène est analogue à celui d'hybridation des orbitales atomiques, puisqu'il consiste en la combinaison de plusieurs structures électroniques : les orbitales atomiques des différents atomes de carbone se combinent entre elles et forment des orbitales moléculaires.

Biologie moléculaire

Au milieu des années 1930, Pauling décide de s'intéresser à un nouveau domaine scientifique. Au début de sa carrière, il avait mentionné un manque d'intérêt pour l'étude des molécules biologiques. Mais le Caltech développant des compétences solides en biologie, Pauling a l'occasion d'y côtoyer des biologistes de renom comme Thomas Hunt Morgan, Theodosius Dobzhansky, Calvin Bridges ou Alfred Sturtevant et commence à s'intéresser à l'étude des molécules biologiques, notamment grâce à une bourse de la fondation Rockefeller.

Elucidation de la structure secondaire des protéines

Hélice alpha

À la suite de ses travaux sur l'hémoglobine, Pauling décide d'étudier de manière plus précise la structure des protéines en utilisant la diffraction des rayons X. Cependant, la structure des protéines s'avère beaucoup plus difficile à déterminer par cette technique que celle des minéraux cristallisés auxquels il s'est intéressé précédemment. Dans les années 1930, les meilleurs clichés de rayons X de protéines ont été effectués par le cristallographe britannique William Astbury, mais lorsque Pauling essaie d'interpréter ses observations à l'aide de la mécanique quantique en 1937, il n'y parvient pas.

Il faut onze ans à Pauling pour comprendre l'origine du problème. Son analyse mathématique est correcte, mais les clichés d'Astbury ont été pris d'une manière telle que les protéines sont inclinées par rapport aux positions attendues. Pauling formule un modèle pour la structure de l'hémoglobine dans lequel les atomes étaient positionnés en hélice et avait appliqué ce concept de manière correcte aux protéines.

En 1951, sur la base de la structure des acides aminés et des peptides et de la planéité de la liaison peptidique, Pauling et ses collègues proposent l'hélice alpha^[26] et le feuillet bêta comme motifs structuraux principaux de la structure secondaire des protéines. Ce résultat illustre la capacité de Pauling à penser de manière non conventionnelle : à la base de la structure se trouve l'idée selon laquelle un tour de l'hélice peut correspondre à un nombre d'acides aminés non entier.

Pauling propose alors une structure hélicoïdale pour l'ADN, mais il fait quelques erreurs dans la description de cette structure^[27]. William Lawrence Bragg avait été déçu que Pauling gagne la course pour la découverte de l'hélice alpha : son équipe avait fait une erreur fondamentale en construisant un modèle des protéines sans prendre en compte la planéité de la liaison peptidique. Lorsqu'il apprend au Laboratoire Cavendish que Pauling travaille sur des modèles moléculaires de la structure de l'ADN, il autorise Watson et Crick à proposer un modèle moléculaire en utilisant des travaux non publiés de Maurice Wilkins et Rosalind Elsie Franklin du King's College de Londres. En 1953, James Dewey Watson et Francis Crick proposent une structure correcte pour la double hélice d'ADN, ce qui leur vaudra le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1962. L'un des obstacles auxquels Pauling a dû faire face au cours de son travail est l'impossibilité de consulter les clichés de diffraction de l'ADN de bonne qualité pris par Rosalind Elsie Franklin auxquels Watson et Crick ont eu accès. Il a bien projeté de se rendre à un congrès en Angleterre durant lequel il aurait pu les voir, mais il n'a pas pu le faire, son passeport lui ayant été refusé par le département d'État américain pour des suspicions de sympathies communistes.

Dans cette période où débute le maccarthisme aux États-Unis, Pauling étudie également les réactions enzymatiques. Il est parmi les premiers à montrer que les enzymes agissent en stabilisant les états de transitions au cours des réactions, un comportement à la base de leur mécanisme d'action. Il est également parmi les premiers à proposer que la liaison entre les anticorps et les antigènes pourrait être due à des structures complémentaires. Dans le même ordre d'idées, il signe une publication avec le biologiste Max Delbrück qui suggère que la réplication de l'ADN trouve sa source dans des complémentarités structurales plutôt que dans des similarités, comme le proposent certains chercheurs. Le modèle de Watson et Crick viendra corroborer cette proposition. Par ailleurs, il contribue avec d'autres chercheurs à la fabrication d'anticorps artificiels et à celle d'un substitut de plasma sanguin.

Voiture électrique

La Henney Kilowatt

À la fin des années 1950, Pauling commence à s'intéresser au problème de la pollution de l'air, en particulier à cause du phénomène du smog en pleine croissance à Los Angeles. À cette époque, la plupart des scientifiques pensent que le smog est dû aux rejets des usines chimiques et des raffineries. Les travaux de Pauling, Arie Haagen-Smit et d'autres scientifiques du Caltech montrent qu'il est dû à la pollution automobile. Peu après cette découverte, Pauling commence à travailler sur la mise au point d'une voiture électrique censée être fonctionnelle et bon marché. Pour ce faire, il joint ses efforts à ceux des ingénieurs de l'entreprise Eureka Williams pour le développement de la première voiture électrique à vitesse contrôlable, la Henney Kilowatt. Après avoir travaillé sur le système de propulsion, Pauling montre que les batteries classiques acide-plomb ne peuvent pas fournir une puissance suffisante pour que les performances de la voiture électrique puissent rivaliser avec celles des voitures à essence. Il prévoit que la faible vitesse de pointe et la faible autonomie de la Henney Kilowatt la rendront peu fonctionnelle et peu populaire. Il insiste auprès de Eureka Williams pour attendre d'avoir développé une voiture plus fonctionnelle avant de la proposer au public, et recommande d'interrompre le projet le temps que des batteries plus performantes soient disponibles sur le marché. Cependant, l'entreprise préfère lancer la production de la voiture, et celle-ci conduit à un échec commercial.

Médecine et vitamines

En 1941, Pauling, âgé alors de 40 ans, découvre qu'il est atteint d'une forme grave de la maladie de Bright, une maladie des reins potentiellement mortelle que les médecins considèrent à l'époque comme incurable. Avec l'aide du D^r Thomas Addis de Stanford, il parvient à contrôler l'évolution de la maladie en suivant un régime faible en protéines et sans sel, inhabituel pour l'époque. Comme tous les patients d'Addis, il se voit également prescrire des vitamines et des sels minéraux.

À la fin des années 1950, Pauling étudie l'action des enzymes sur les fonctions cérébrales. Il pense que les maladies mentales pourraient être en partie causées par des dysfonctionnements enzymatiques. Lorsqu'il lit la publication d'Abram Hoffer de 1965, Utilisation de la vitamine B3 en psychiatrie, il se rend compte que les vitamines pourraient avoir des effets biochimiques importants en plus de ceux liés à la prévention des maladies liées à leurs carences. En 1968, il publie dans Science sa publication la plus importante dans ce domaine : Orthomolecular psychiatry. […] (PMID 5641253), dans laquelle il invente le mot « orthomoléculaire » pour décrire le concept de contrôle de la concentration des composés présents dans le corps humain pour prévenir et guérir les maladies.

Notes

Références

Bibliographie

• Thomas Hager :
  • (en) Thomas Hager, Force of nature : the life of Linus Pauling, New York, Simon & Schuster, 1995, 721 p. (ISBN 978-0-684-80909-0 et 0-684-80909-5, OCLC 32855541) ;
  • (en) Thomas Hager, Linus Pauling and the Chemistry of Life, Londres, Oxford University Press, coll. « Oxford portraits in science », 2000, 144 p. (ISBN 978-0-19-513972-3, OCLC 795384631, lire en ligne) ;
  • (en) Clifford Mead et Thomas Hager, Linus Pauling : scientist and peacemaker, Corvallis, Oregon State University Press, 2001 (ISBN 978-0-585-48079-4 et 0-585-48079-6, OCLC 53882682) ;
• Barbara Marinacci :
  • (en) Linus Pauling (introduction) et Barbara Marinacci (éditeur), Linus Pauling : in his own words : selected writings, speeches, and interviews, New York, Simon & Schuster, 1995, 320 p. (ISBN 978-0-684-81387-5 et 978-0-684-80749-2, lire en ligne) ;
  • (en) Linus Pauling, Barbara Marinacci (éditeur), Ramesh Krishnamurthy (éditeur) et Linus Pauling, Jr. (introduction), Linus Pauling on peace : a scientist speaks out on humanism and world survival, Los Altos, Calif, Rising Star Press, 1998, 296 p. (ISBN 978-0-933670-03-7, OCLC 39950688) ;
• (en) Ted George Goertzel et Ben Goertzel, Linus Pauling : a life in science and politics, New York, Basic Books, 1995, 300 p. (ISBN 978-0-465-00672-4 et 978-0-465-00673-1, OCLC 32468382) ;
• (en) Anthony Serafini (préf. Isaac Asimov), Linus Pauling : a man and his science, New York, Paragon House, 1991, 310 p. (ISBN 978-1-55778-440-7 et 978-0-913-72988-5, OCLC 24316267) ;
• (en) Mohamed Larbi Bouguerra, Pauling : l'Einstein de la chimie, Paris, Belin, Pour la science, coll. « Génies de la science » (n^o 5), 2002, 175 p. (ISBN 978-2-7011-2658-6, OCLC 300279749, BNF 38904575).

Articles connexes

• Règles de Pauling
• Matthias Rath
• Médecine orthomoléculaire
• Irwin Stone
• Maladie du Nobel
• Pacifisme

Liens externes

• (en) Biographie sur le site de l'Institut Linus Pauling
• (en) Fond Linus et Ava Pauling de l'université de l'Oregon
• (en) The Pauling Catalogue
• Pauling a reçu deux prix Nobel :
  • chimie en 1954 : (en) Biographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)
  • paix en 1962 : (en) Biographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)
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