Comment les molécules rompent et forment des liaisons
Une étape cruciale vers une véritable compréhension des processus chimiques
Des chercheurs de l'European XFEL en Allemagne ont suivi en temps réel le mouvement d'atomes individuels au cours d'une réaction chimique en phase gazeuse. En utilisant des flashs de rayons X extrêmement courts, ils ont pu observer la formation d'une molécule d'iode (I₂) après avoir irradié des molécules de diiodométhane (CH₂I₂) par de la lumière infrarouge, ce qui implique la rupture de deux liaisons et la formation d'une nouvelle liaison. En même temps, ils ont pu distinguer cette réaction de deux autres voies de réaction, à savoir la séparation d'un seul atome d'iode du diiodométhane ou l'excitation de vibrations de flexion dans la molécule liée. Ces résultats donnent un nouvel aperçu des mécanismes réactionnels fondamentaux qui étaient jusqu'à présent très difficiles à distinguer expérimentalement.
Le diiodométhane irradié par la lumière infrarouge peut subir plusieurs réactions différentes. Des impulsions intenses de rayons X du XFEL européen et un microscope réactionnel de l'instrument SQS ont été utilisés pour caractériser trois voies de réaction majeures.
Tobias Wüstefeld, © European XFEL
Les réactions dites d'élimination, dans lesquelles de petites molécules sont formées à partir d'une molécule plus grande, sont au cœur de nombreux processus chimiques, de la chimie atmosphérique à la recherche sur les catalyseurs. Cependant, le mécanisme détaillé de nombreuses réactions, dans lesquelles plusieurs atomes rompent et reforment leurs liaisons, reste souvent obscur. La raison en est la suivante : Les processus se déroulent en des temps incroyablement courts - en femtosecondes, soit quelques millionièmes de milliardième de seconde.
Une approche expérimentale innovante a été utilisée à l'instrument SQS du XFEL européen pour visualiser cette dynamique de réaction. Les chercheurs ont irradié des molécules de diiodométhane avec des impulsions laser infrarouges ultracourtes, qui ont déclenché les réactions moléculaires. Quelques femtosecondes plus tard, d'intenses éclairs de rayons X ont brisé les molécules, faisant voler en éclats leurs composants atomiques dans une "explosion de Coulomb". Les trajectoires et les vitesses des ions ont ensuite été enregistrées par un dispositif de détection appelé microscope réactionnel COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy), l'un des instruments de détection de la station expérimentale SQS mis à la disposition des utilisateurs.
"Cette méthode nous a permis de suivre avec précision la façon dont les atomes d'iode s'assemblent pendant que le groupe méthylène est coupé", explique Artem Rudenko de l'université d'État du Kansas (États-Unis), chercheur principal de l'expérience. L'analyse a révélé que des mécanismes synchrones et asynchrones contribuent à la formation de la molécule d'iode, un résultat confirmé par les calculs théoriques.
Fait remarquable, "bien que cette voie de réaction ne représente qu'environ 10 % des produits obtenus, nous avons pu la distinguer clairement des autres réactions concurrentes", explique Rebecca Boll, de l'instrument SQS (Small Quantum Systems) du XFEL européen, situé à Schenefeld, près de Hambourg. Cela a été possible grâce à la sélection précise de canaux de fragmentation ionique spécifiques et à leur analyse résolue dans le temps.
En outre, les chercheurs ont pu suivre le mouvement vibratoire de la molécule d'iode nouvellement formée. "Nous pouvons désormais observer plus directement comment une molécule isolée rompt et forme des liaisons au cours d'une réaction chimique, en temps réel et avec une précision atomique", explique Xiang Li, premier auteur de la publication et scientifique au SLAC National Accelerator Laboratory (États-Unis). Il s'agit d'une étape cruciale vers une véritable compréhension des processus chimiques. Ces observations fournissent non seulement une image détaillée des mécanismes de réaction, mais ouvrent également de nouvelles voies pour l'étude de processus chimiques plus complexes.
À l'avenir, ces techniques seront étendues à des molécules encore plus grosses et à des réactions plus complexes. Grâce aux améliorations techniques prévues pour le laser à rayons X européen XFEL, il sera possible à l'avenir d'obtenir des informations encore plus rapides et plus détaillées sur le monde de la dynamique moléculaire ultrarapide.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Xiang Li, Rebecca Boll, Patricia Vindel-Zandbergen, Jesús González-Vázquez, Daniel E. Rivas, Surjendu Bhattacharyya, Kurtis Borne, Keyu Chen, ... Sergey Usenko, Anbu Selvam Venkatachalam, Enliang Wang, James P. Cryan, Michael Meyer, Till Jahnke, Phay J. Ho, Daniel Rolles, Artem Rudenko; "Imaging a light-induced molecular elimination reaction with an X-ray free-electron laser"; Nature Communications, Volume 16, 2025-7-30
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