Comment se forment les liaisons chimiques : Observer le flux d'énergie en temps réel
La spectroscopie femtoseconde rend les processus chimiques visibles
Une nouvelle méthode associe des gouttelettes d'hélium à des impulsions laser ultracourtes pour déclencher des processus chimiques de manière contrôlée. Elle permet de mieux comprendre le transfert d'énergie et de charge lors de la formation de liaisons chimiques.
Pour la première fois, une équipe de recherche dirigée par Markus Koch de l'Institut de physique expérimentale de l'Université technique de Graz (TU Graz) a suivi en temps réel la manière dont des atomes individuels se combinent pour former une grappe et quels sont les processus impliqués. Pour ce faire, les chercheurs ont d'abord isolé des atomes de magnésium à l'aide d'hélium superfluide, puis ont utilisé une impulsion laser pour déclencher le processus de formation. Les chercheurs ont pu observer cette formation de grappes et le transfert d'énergie entre les atomes individuels avec une résolution temporelle de l'ordre de la femtoseconde (1 femtoseconde = 1 quadrillionième de seconde). Ils ont récemment publié leurs résultats dans la revue Communications Chemistry.
Un "nano-réfrigérateur" ramène les atomes à leur position de départ
"Normalement, les atomes de magnésium forment instantanément des liaisons étroites, ce qui signifie qu'il n'y a pas de configuration de départ définie pour l'observation des processus de formation des liaisons", explique Markus Koch. Les chercheurs ont résolu ce problème, qui se pose souvent lors de l'observation de processus chimiques en temps réel, en menant des expériences avec des gouttelettes d'hélium superfluide. Ces gouttelettes agissent comme des "nano-frigides" ultra-froides qui isolent les atomes de magnésium les uns des autres à des températures extrêmement basses de 0,4 kelvin (= -272,75 degrés Celsius ou 0,4 degrés Celsius au-dessus du zéro absolu) à une distance d'un millionième de millimètre. "Cette configuration nous a permis d'initier la formation de grappes avec une impulsion laser et de la suivre avec précision en temps réel", explique Michael Stadlhofer, qui a réalisé ces expériences dans le cadre de sa thèse de doctorat.
La spectroscopie femtoseconde rend les processus chimiques visibles
Les chercheurs ont observé les processus déclenchés par l'impulsion laser à l'aide de la spectroscopie de photoélectrons et de photoions. Alors que les atomes de magnésium se combinaient pour former un amas, ils ont été ionisés par une seconde impulsion laser. Markus Koch et ses collègues ont pu reconstituer les processus en détail sur la base des ions formés et des électrons libérés.
Les atomes mettent leur énergie en commun
La mise en commun de l'énergie est une découverte essentielle. En se liant les uns aux autres, plusieurs atomes de magnésium transfèrent l'énergie d'excitation reçue de la première impulsion laser à un seul atome de l'amas, de sorte que celui-ci atteint un état d'énergie beaucoup plus élevé. C'est la première fois que la mise en commun de l'énergie est démontrée avec une résolution temporelle.
Une recherche fondamentale avec un potentiel d'application
"Nous espérons que cette séparation atomique à l'intérieur de gouttelettes d'hélium fonctionnera également pour une classe plus large d'éléments et deviendra ainsi une méthode généralement applicable à la recherche fondamentale", déclare Markus Koch. "En outre, les résultats sur la mise en commun de l'énergie pourraient être utiles pour les processus de transfert d'énergie dans divers domaines d'application, par exemple en photomédecine ou dans l'utilisation de l'énergie solaire.
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