Des chercheurs observent le déroulement d'une réaction chimique atome par atome

L’équipe a étudié la 3-fluoropyridine, une petite molécule de forme cyclique. Lorsque la molécule absorbe de la lumière, par exemple une impulsion courte provenant d’un laser ultraviolet, elle passe dans un état d’excitation électronique et se déforme rapidement, perdant sa forme plane d’origine. Elle traverse alors ce qu’on appelle une « intersection conique » : un point de passage éphémère mais crucial où les mouvements des électrons et des noyaux atomiques se couplent fortement. Passé ce point, la molécule revient à son état fondamental. À ce moment-là, l’énergie électronique est convertie en vibrations. Les chercheurs ont découvert que cette conversion laisse des empreintes distinctes au niveau de différents sites atomiques : l’atome de fluor agit comme un marqueur clair de la relaxation vibrationnelle, tandis que l’atome d’azote, qui est plus directement impliqué dans l’excitation, reflète une réponse entremêlée de redistribution électronique et de mouvement structurel. « Nous pouvons désormais constater que tous les sites atomiques ne racontent pas la même histoire dans les signaux que nous captons à partir de nos impulsions de rayons X », explique Antonio Picón, de l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), coauteur de l’étude. « Certains atomes indiquent où va la charge, tandis que d’autres révèlent comment la molécule entière vibre. »

Pour observer ce processus, l’équipe a utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X résolue en temps (tr-XPS) sur l’instrument Small Quantum Systems (SQS) de l’European XFEL. Une impulsion laser ultraviolette a d’abord excité les molécules, puis une impulsion de rayons X mous, décalée avec précision, les a ionisées en arrachant des électrons fortement liés aux atomes d’azote ou de fluor. En mesurant l’énergie de ces électrons émis à de nombreux délais différents, les scientifiques ont reconstitué l’évolution de l’environnement chimique local en l’espace de quelques picosecondes (trillionnièmes de seconde) seulement. Pour interpréter ces données, l’équipe a développé des simulations et des modèles avancés.

Ces travaux démontrent la capacité des impulsions de rayons X ultracourtes et à haute luminosité de l’European XFEL à démêler les mouvements couplés les plus rapides au sein de la matière. Au-delà de cette molécule particulière, cette approche peut être appliquée de manière générale pour analyser comment la lumière déclenche des changements structurels, ce qui ouvre la voie à l’étude de systèmes de plus en plus complexes – des molécules organiques fonctionnelles aux composants biomoléculaires en passant par les matériaux énergétiques. « C’est précisément pour cela que l’European XFEL a été construit : pour observer les changements chimiques là où ils commencent, au niveau de sites atomiques spécifiques et à leur échelle de temps naturelle », explique Daniel Rivas, ancien scientifique chargé des instruments, aujourd’hui chercheur invité à la SQS et coauteur de l’étude. « En combinant une sensibilité multisite et une résolution à l’échelle de la femtoseconde, nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur les mécanismes microscopiques qui régissent la photochimie. »