Un objectif clé de la recherche en cours enracinée dans la physique moléculaire est de comprendre et de contrôler précisément les réactions chimiques à des températures très basses. À de basses températures, les réactions chimiques entre les particules chargées (c.-à-d. Les ions) et les molécules se déroulent avec des coefficients de taux très spécifiques à l'état rotationnel, ce qui signifie que la vitesse à laquelle elles procèdent fortement dépend des états de rotation des molécules impliquées.
Des chercheurs de Eth Zürich ont récemment introduit une nouvelle approche pour contrôler les réactions chimiques entre les ions et les molécules à basse température, utilisant des micro-ondes (c'est-à-dire des ondes électromagnétiques avec des fréquences allant de 300 MHz à 300 GHz). Leur programme proposé, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physiqueimplique l'utilisation d'impulsions micro-ondes pour manipuler les populations à l'état de rotation moléculaire.
« Au cours des 10 dernières années, nous avons développé une méthode avec laquelle les réactions ion-molécules peuvent être étudiées à des températures très basses, en dessous de 10 K, correspondant aux conditions des nuages moléculaires géants dans le milieu interstellaire, où ces types de réactions jouent un rôle clé », Valentina Zhelyazkova, auteur correspondant de l'article, a déclaré à Issues.fr.
« Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus sur de nombreuses réactions impliquant des atomes ou des molécules chargés positivement ont révélé que certaines réactions se produisent encore près du zéro absolu de l'échelle de température et, surtout pour nos travaux actuels, que la réactivité dépend fortement du degré de rotation des molécules. »
Dans le cadre de leur étude récente, Zhelyazkova, Fernanda B. V. Martins, Frédéric Merkt et leurs collègues ont cherché à exploiter la forte influence du degré de rotation des molécules sur les réactions chimiques se produisant à des températures proches du zéro absolu. Plus précisément, ils ont mis à profit cette forte dépendance pour déclencher l'inhibition d'une réaction en modifiant l'état de rotation des molécules en utilisant des impulsions de rayonnement micro-ondes courtes.
« Nous avons étudié les réactions à basse température entre les atomes et les molécules chargés positivement », a expliqué Merkt. « La réactivité dans ces systèmes dépend de l'état quantique de la molécule. »
Pour démontrer leur approche proposée, les chercheurs ont d'abord refroidi les molécules à leur état de rotation. Dans cet état, les molécules sont connues pour être plus réactives que lorsqu'elles sont dans le premier état de rotation excité.
« Nous avons ensuite utilisé une impulsion micro-ondes pour ajouter un quantum de rotation à la molécule et l'avons excité à cet état moins réactif », a déclaré Martins. « Nous avons surveillé la réactivité en observant le nombre de produits formés par unité de temps et avons vu une réduction lorsque l'impulsion micro-ondes a été activée. »
Dans l'ensemble, les résultats recueillis par Zhelyazkova, Martins, Merkt et leurs collègues ont montré que différents niveaux de rotation d'une molécule peuvent réagir à différentes vitesses. De plus, les chercheurs ont réussi à contrôler les réactions chimiques de la molécule d'ion froid à l'aide d'impulsions micro-ondes.
« Nous avons montré que la réactivité peut être modifiée en excitant la molécule de son état fondamental de rotation au premier état de rotation excité en utilisant de courtes impulsions de rayonnement micro-ondes », a déclaré Zhelyazkova. « De plus, nous avons démontré que les micro-ondes peuvent être utilisées pour ralentir une réaction à travers un mécanisme non thermique. Dans la plupart des applications des micro-ondes dans la synthèse chimique, les micro-ondes sont utilisés pour chauffer thermiquement les molécules, ce qui les rend toujours plus réactifs. »
Les travaux récents de Zhelyazkova, Martins, Merkt et leurs collègues pourraient bientôt ouvrir de nouvelles possibilités de recherche, car elle offre une nouvelle approche précieuse pour contrôler et étudier avec précision les réactions chimiques de molécule ionique à basse température. Pendant ce temps, les chercheurs prévoient d'affiner leur approche et d'utiliser les micro-ondes pour améliorer la réactivité.
« Dans nos prochaines études, nous prévoyons de préparer des molécules dans certains états quantiques non réactifs et d'utiliser des impulsions à micro-ondes courtes comme déclencheur de réactivité », a ajouté Merkt.
