Annonces - Des chercheurs photographient des électrons en action en faisant vibrer un slinky moléculaire avec un laser ultrarapide

Le 23 novembre 2008 — Ottawa, Ontario

Image sur la couverture du Science, créé par Greg Kuebler, Jila / Université du Colorado

Dans le but de ralentir et de comprendre les réactions chimiques au niveau des atomes et électrons, une équipe de l'Université du Colorado (CU) et du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) a trouvé une nouvelle façon d'étudier les molécules afin d'observer le réarrangement des électrons quand les molécules changent de forme.

D'après les professeurs Margaret Murnane et Henry Kapteyn du CU et les chercheurs Albert Stolow et Serguei Patchkovskii du CNRC, qui ont dirigé les recherches, l'information sur le mode de réagencement des électrons pendant les réactions chimiques pourrait mener à des percées en recherche sur les matériaux et dans des domaines comme la catalyse et les énergies de remplacement.

« Le but ultime des sciences moléculaires est de développer la capacité d'étudier tous les aspects d'une réaction chimique et de voir comment les atomes bougent et les électrons se réarrangent pendant la réaction », a dit M. Stolow. « Nous n'avons pas atteint ce stage, mais nous venons de franchir une étape importante envers ce but. »

Afin de pouvoir suivre le déroulement des réactions chimiques, les chercheurs doivent pouvoir voir comment les liaisons entre les atomes sont formées ou brisées dans les molécules pendant les réactions chimiques. Le problème est que les outils pouvant capturer le nuage d'électrons en rapide évolution entourant la molécule pendant que les atomes se déplacent sont très limités, déclare Mme Murnane. Les changements se produisant dans le nuage d'électrons peuvent se produire en moins d'une femtoseconde, ou un millionième d'un milliardième de seconde, et sont parmi les procédés les plus rapides dans le monde naturel.

L'article de l'équipe, intitulé « Time-Resolved Dynamics in N₂O₄ Probed Using High Harmonic Generation » est l'article vedette du numéro du 21 novembre de la revue Science. L'équipe du CU-CNRC décrit comment elle a excité une molécule de N₂O₄ avec une courte impulsion de lumière laser pour induire de très grandes oscillations dans la molécule. Les chercheurs ont ensuite utilisé un second laser pour produire un rayon X, qu'ils ont utilisé pour déterminer les niveaux énergétiques des électrons de la molécule, et, plus important, pour comprendre comment ces niveaux énergétiques changent pendant que la forme de la molécule change, a déclaré M. Kapteyn.

« Il s'agit d'une nouvelle façon fondamentale d'étudier les molécules », a dit M. Kapteyn. « Ce procédé nous a permis de produire une image instantanée des électrons dans un système, de voir leur mouvement vertigineux. »

Selon les chercheurs, leur procédé d'étirement de la molécule de N₂O₄ est semblable à tirer sur un slinky et le laisser aller pour ensuite observer ses vibrations. Ils ont utilisé la molécule N₂O₄ parce qu'elle vibre plus lentement que les autres molécules, ce qui permet de mieux voir ce qui se passe.

Les molécules se comportent de nombreuses façons comme de petites masses reliées par de minuscules ressorts de différentes résistances, a dit Mme Murnane. Ces ressorts sont les liaisons chimiques, composées d'électrons partagés, qui retiennent toute la matière. Dans cette expérience, ils ont utilisés des impulsions d'un laser ultrarapide pour faire vibrer ces ressorts, et faire vibrer les slinky moléculaires à l'échelle du nanomètre. Cependant, à la différence des ressorts réels, dans les molécules oscillantes, leurs propriétés peuvent changer.

C'est précisément les propriétés changeantes qu'ils souhaitaient observer. La capacité d'observer et de comprendre l'action des électrons est très utile dans des domaines comme les énergies de remplacement.

« Si nous pouvons comprendre la nature de ces procédés, nous pourrons dans le futur traduire ces connaissances en meilleures technologies, comme la création de molécules récolteuses de lumière plus efficaces, la catalyse ou même des piles solaires », a affirmé Mme Murnane.