Percée significative dans la chimie des composés fluorés
Surmonter le "mur de fluo" : des chercheurs observent pour la première fois l'effet tunnel d'atomes lourds
Une équipe de recherche internationale composée de scientifiques de la Freie Universität Berlin et du Centre national français de la recherche scientifique (CNRS), en collaboration avec l'Université de Lorraine à Metz (France), a réalisé une percée significative dans la chimie des composés fluorés. À l'aide de simulations chimiques quantiques, ils ont pu prouver pour la première fois que les atomes de fluor lourds peuvent également "passer par un tunnel", c'est-à-dire passer d'un état à l'autre. L'étude "Experimental Observation of Quantum Mechanical Fluorine Tunneling" a été publiée dans la revue scientifique Nature Communications. Elle ouvre de nouvelles perspectives pour contrôler les réactions chimiques et mieux comprendre ce qui rend certains composés fluorés particulièrement stables ou réactifs.
Le fluor et les composés fluorés sont monnaie courante dans notre vie quotidienne. Les groupes fluorés améliorent l'absorption des médicaments dans l'organisme ; les composés fluorés rendent les batteries de téléphone portable plus efficaces et leur permettent de durer plus longtemps ; et le fluor contenu dans le dentifrice prévient les caries. Dans le même temps, les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) posent un problème croissant pour la santé humaine et l'environnement.
Des recherches approfondies sur la science qui sous-tend les interactions produites par le fluor et ses composés sont nécessaires pour comprendre pleinement les effets positifs et négatifs du fluor dans les composés. C'est l'un des objectifs du Centre de recherche collaborative (CRC) 1349 "Interactions spécifiques au fluor", qui est financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) depuis 2019. Dans le cadre du CRC 1349, des équipes dirigées par les professeurs Sebastian Hasenstab-Riedel et Beate Paulus de la Freie Universität Berlin, ainsi que par le professeur Jean Christophe Tremblay du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), en collaboration avec l'Université de Lorraine à Metz, en France, ont maintenant découvert une interaction unique spécifique au fluor.
Il y a plus d'une décennie, Hasenstab-Riedel et son équipe ont réussi à capturer une molécule inhabituelle dans un cristal de néon à -270°C. Cette molécule - un anion composé de seulement cinq atomes de fluor instables, fortement chargés et serrés les uns contre les autres - ne devrait pas exister. Et pourtant, la molécule est restée étonnamment stable.
Afin de comprendre ce qui permettait à cette molécule de rester stable, les chercheurs de l'équipe de Paulus et de Tremblay ont effectué des calculs et des simulations de mécanique quantique approfondis. Ils ont découvert un effet surprenant qui, jusqu'à présent, avait surtout été observé pour l'hydrogène, qui est très léger, mais qui était considéré comme pratiquement impossible pour l'atome de fluor, relativement lourd. Les chercheurs ont pu prouver que même les atomes de fluor peuvent effectivement faire un effet tunnel, c'est-à-dire transformer spontanément une molécule entre deux états qui sont en fait séparés par une barrière d'énergie finie.
Ce type d'effet tunnel a déjà été observé dans d'autres molécules d'éléments beaucoup plus légers tels que l'hydrogène et l'oxygène. Jusqu'à présent, les chercheurs supposaient que les atomes de fluor étaient trop lourds pour réaliser un effet tunnel, raison pour laquelle ils avaient tendance à parler d'un "mur de fluoro" lorsqu'il s'agissait d'effet tunnel.
Cependant, cette nouvelle étude semble signifier un changement de paradigme. La combinaison de conditions de liaison spéciales dans des molécules piégées dans un espace très restreint semble permettre à des atomes plus lourds que l'oxygène de passer par un tunnel. "Ces résultats n'élargissent pas seulement notre compréhension des liaisons chimiques dans les composés fluorés", déclare Carsten Müller de la Freie Universität Berlin, premier auteur de l'étude. "Elles nous ont également fourni de nouveaux outils pour contrôler les réactions moléculaires de manière ciblée, que ce soit dans la recherche sur les matériaux, la médecine ou la conception de nouvelles technologies.
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