La molécule d'acide formique tremble dans la troisième dimension
Le tremblement quantique : pourquoi il n'existe pas de molécules vraiment plates
Annonces
L'acide formique est considéré comme une molécule dans laquelle tous les atomes se trouvent dans un seul plan. Une équipe de recherche de l'université Goethe, en collaboration avec des partenaires, vient de démontrer expérimentalement que les atomes de l'acide formique sortent continuellement de ce plan à une échelle minimale. Par conséquent, la molécule n'est pas plate la plupart du temps, mais tridimensionnelle, perdant ainsi sa symétrie. Le tremblement des atomes est un effet de la physique quantique, selon laquelle les particules ne sont jamais au repos.
Comme la main droite et la main gauche : La vibration du point zéro de la mécanique quantique - le "tremblement" des atomes - fait de l'acide formique une molécule chirale dont les deux formes, comme la main droite et la main gauche, ne peuvent être superposées.
© Institut für Kernphysik, Goethe-Universität Frankfurt
Les manuels de chimie traditionnels présentent une image bien ordonnée : Les atomes des molécules occupent des positions fixes, reliées par des tiges rigides. Une molécule telle que l'acide formique (acide méthanoïque, HCOOH) est imaginée en deux dimensions, aussi plate qu'une feuille de papier. Mais la physique quantique raconte une autre histoire. En réalité, la nature résiste à la rigidité et force même les structures les plus simples à entrer dans la troisième dimension.
Des chercheurs dirigés par le professeur Reinhard Dörner de l'Institut de physique nucléaire de l'université Goethe ont maintenant déterminé la structure spatiale précise de la molécule "plate" d'acide formique en utilisant un faisceau de rayons X provenant de la source de rayonnement synchrotron PETRA III du centre d'accélération DESY à Hambourg. Ils ont collaboré avec des collègues des universités de Kassel, Marburg et Nevada, de l'Institut Fritz Haber et de l'Institut Max Planck de physique nucléaire.
Pour ce faire, ils ont utilisé deux effets qui se produisent lorsque des rayons X frappent une molécule. Tout d'abord, le rayonnement éjecte plusieurs électrons de la molécule (effet photoélectrique et effet Auger). Les atomes deviennent alors tellement chargés que la molécule éclate en une explosion (explosion de Coulomb). Les scientifiques ont réussi à mesurer ces processus de manière séquentielle, même s'ils se déroulent en l'espace de quelques femtosecondes - des millionièmes de milliardième de seconde.
Pour ce faire, ils ont utilisé un appareil inventé à l'université Goethe et continuellement perfectionné depuis : Le microscope réactionnel COLTRIMS. Sur la base des données mesurées, ils ont pu calculer la géométrie originale de la molécule d'acide formique. Le résultat : Les deux atomes d'hydrogène de l'acide formique oscillent légèrement d'avant en arrière, ce qui signifie que la molécule n'est pas plate.
Reinhard Dörner explique : "Dans le monde quantique, les noyaux atomiques ne sont pas de minuscules sphères qui restent fixes. Ils ressemblent plutôt à des nuages vibrants. Même si l'on refroidit une molécule jusqu'au zéro absolu, ce tremblement - appelé mouvement du point zéro - ne s'arrête jamais".
La conséquence est radicale : Un noyau atomique n'a pas de localisation exacte, mais seulement une probabilité de se trouver à un endroit donné. En un sens, il est "un peu partout". Par conséquent, une molécule d'acide formique est effectivement tridimensionnelle à presque chaque instant.
M. Dörner ajoute : "Grâce à ce petit pas dans la troisième dimension, la molécule perd sa symétrie et ne peut plus être superposée à son image dans le miroir - comme notre main gauche et notre main droite. L'acide formique est chiral : il a une forme gauche la moitié du temps et une forme droite l'autre moitié".
En chimie, deux formes chirales - appelées énantiomères - peuvent avoir des effets complètement différents : Alors qu'une forme d'une molécule peut agir comme un médicament, son image miroir peut être inefficace. Normalement, cette chiralité découle de la structure fixe d'une molécule.
Dörner conclut : "Comme nous avons pu le montrer à l'aide de l'exemple de l'acide formique, le tremblement quantique peut à lui seul générer deux réalités différentes à partir d'une molécule symétrique. Cela signifie que la main - une propriété importante de la vie - ne découle pas ici du plan statique de la molécule, mais uniquement du tremblement incessant dans le monde quantique. Plus généralement, nos résultats avec l'acide formique montrent que la géométrie n'est pas une propriété statique mais un événement dynamique, et qu'une molécule plate n'est en réalité que la valeur moyenne de ses atomes qui tremblent dans toutes les directions".
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
D. Tsitsonis, M. Kircher, N. M. Novikovskiy, F. Trinter, J. B. Williams, K. Fehre, L. Kaiser, S. Eckart, O. Kreuz, A. Senftleben, Ph. V. Demekhin, R. Berger, T. Jahnke, M. S. Schöffler, R. Dörner; "Probing Instantaneous Single-Molecule Chirality in the Planar Ground State of Formic Acid"; Physical Review Letters, Volume 136, 2026-1-30
Autres actualités du département science
