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Filmer les mouvements des atomes lors d'une réaction chimique en temps réel représente un défi aussi vieux que la chimie moderne. Grâce à plusieurs équipes internationales de recherche, ce défi a pu être relevé. Parmi elles, celle du Laboratoire de physique théorique de la matière condensée (CNRS/ Université Pierre et Marie Curie) a joué un rôle essentiel.

Visualiser en temps réel le mouvement des atomes lors d'une réaction chimique dans un solvant est désormais possible. C'est ce qui a été démontré par les travaux d'une équipe internationale de chercheurs menée par Michael Wulff de l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble, par Hyotcherl Ihee de l'Institut Coréen des Études Avancées (KAIST) et par Savo Bratos de l'Université Pierre et Marie Curie (CNRS) à Paris. « Cette volonté de vouloir étudier le mouvement des atomes lors d'une réaction chimique est un défi majeur qui existe depuis très longtemps. Seulement, il y a 30 ans, nous n'avions pas encore les moyens techniques pour le faire », explique Savo Bratos. Avant de continuer : « Actuellement, deux techniques de base ont été mises au point : la spectroscopie laser et la méthode des rayons X ultrarapides ». Comme « la technique de spectroscopie laser utilisée jusqu'ici permet seulement de mesurer l'évolution de l'énergie sans déterminer la position exacte des atomes», ces chercheurs ont utilisé la méthode des rayons X pour étudier la recombinaison des molécules de diiode (I2) dans le tétrachlorure de carbone (CCl4), en partant des atomes d'iode préalablement photodissociés par un tir laser.

La difficulté de passer de la théorie à la pratique

 

L'intégralité de l'expérimentation a été réalisée au sein de l'ESRF de Grenoble. Elle s'est déroulée de la façon suivante : dans un premier temps, les chercheurs ont dissocié les molécules d'iode avec un flash laser d'une longueur d'onde de 530 nanomètres et de 0.5 picoseconde (millionième de millionième de seconde). Cette première excitation est suivie de plusieurs flashs d'une durée d'une centaine de picosecondes espacés chacun d'un intervalle de 10 picosecondes. « En principe, l'expérience paraît simple, mais en pratique c'est beaucoup plus compliqué. Il a fallu quatre ans de travaux pour mettre au point la technique pour reconstituer le mouvement des atomes à partir des mesures effectuées », précise Savo Bratos. Lors de l'expérimentation, les chercheurs ont ainsi observé qu'après l'excitation laser, les molécules d'iodes se dissocient, puis la plupart des atomes d'iode se rapprochent de nouveau dans une cage de solvant. « Nous avons près de 90 % des atomes qui se recombinent. Ces atomes forment une molécule diatomique avec une distance d'équilibre de 0,267 nanomètre », explique Savo Bratos. En outre, l'équipe a établi que la première cage de solvatation s'agrandissait temporairement de 0,15 nanomètre suivant l'axe de la liaison entre les deux atomes d'iode, avant de rétrécir à sa taille initiale. Un phénomène similaire a également été observé pour une réaction chimique de formation de diiode dans un autre solvant, le cyclohexane, à quelques différences près : la distance maximale entre les deux atomes d'iode est moins importante et le retour de l'équilibre y est plus rapide, ce qui est dû au fait que le cyclohexane est plus léger que le CCl4 selon les chercheurs.

Bien que l'équipe soit parvenue à la prouesse d'observer le contact des deux atomes formant la nouvelle molécule, l'histoire ne s'arrête pas là : il reste à explorer le réarrangement des atomes qui, au moment de leur contact, forment un agrégat hautement excité, et suivre son refroidissement. Ce n'est qu'après que le produit de la réaction apparaît dans sa forme définitive. Cependant, ces réarrangements se déroulant à des échelles temporelles inférieures à la picoseconde, « il faudra encore diminuer la durée des impulsions de rayons X. Une nouvelle technique - dite "laser à électrons libres" ou X-FEL - sera nécessaire pour accomplir cette tâche », pense Savo Bratos.

Référence complète : Filming the birth of molecules and accompanying solvent rearrangement, J.H. Lee, M. Wulff, S. Bratos, J. Petersen, L. Guerin, J.-C. Leicknam, M. Cammarata, Q. Kong, J. Kim, K.B. Møller and H. Ihee, Journal of American Chemical Society 135, 3255-3261 (2013).

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