Des chercheurs d'European XFEL en Allemagne ont suivi en temps réel le mouvement des atomes individuels lors d'une réaction chimique en phase gazeuse. En utilisant des éclairs de rayons X extrêmement courts, ils ont pu observer la formation d'une molécule d'iode (I₂) après avoir irradiant des molécules de diiodométhane (ch₂i₂) par la lumière infrarouge, qui implique de rompre deux liaisons et d'en former une nouvelle.
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 des vibrations de flexion dans la molécule liée. Les résultats, publiés dans Communications de la naturefournissez de nouvelles informations sur les mécanismes de réaction fondamentaux qui ont jusqu'à présent été très difficiles à distinguer expérimentalement.
Les réactions dites d'élimination dans lesquelles les petites molécules sont formées 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 lesquels plusieurs atomes se cassent et reforment leurs liaisons, reste souvent obscur. La raison: les processus se déroulent dans des temps incroyablement courts – dans les fématondes, ou quelques millions de milliards de secondes de seconde.
Une approche expérimentale innovante a maintenant été utilisée sur l'instrument SQS d'European XFEL pour visualiser une telle dynamique de réaction. Les chercheurs ont irradié des molécules de diiodométhane avec des impulsions laser infrarouges ultra-dérarcées, ce qui a déclenché les réactions moléculaires. Femtosecondes plus tard, des éclairs radiographiques intenses ont brisé les molécules, provoquant la séparation de 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 de réaction Coltrims (spectroscopie de momentum d'ion de recul cible à froid) – l'un des instruments de détection de la station expérimentale SQS mise à la disposition des utilisateurs.
« En utilisant cette méthode, nous avons pu suivre précisément comment les atomes d'iode s'assemblent pendant que le groupe de méthylène est clivé », explique Artem Rudenko de la Kansas State University, États-Unis, le principal chercheur de l'expérience. L'analyse a révélé que les mécanismes synchrones et asynchrones contribuent à la formation de la molécule d'iode – un résultat soutenu par des calculs théoriques.
Remarquablement, « Bien que cette voie de réaction ne représente que 10% des produits résultants, nous avons pu le distinguer clairement des autres réactions concurrentes », explique Rebecca Boll de l'instrument européen SQS de Xfel (petits systèmes quantiques) dans Schenefeld près de Hambourg. Cela a été rendu possible par la sélection précise de canaux de fragmentation d'ions spécifiques et de leur analyse résolue dans le temps.
De plus, les chercheurs ont pu suivre le mouvement vibrationnel de la molécule d'iode nouvellement formée. « Maintenant, nous pouvons observer plus directement comment une molécule isolée brise et forme des liaisons lors d'une réaction chimique – en temps réel et avec précision atomique », explique Xiang Li, le premier auteur de la publication et scientifique au SLAC National Accelerator Laboratory aux 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 étudier les processus chimiques plus complexes.
À l'avenir, ces techniques seront étendues à des molécules encore plus grandes et à des réactions plus complexes. Grâce aux améliorations techniques planifiées au laser européen XFEL X-Ray, des informations encore plus rapides et plus détaillées sur le monde de la dynamique moléculaire ultra-rapide peuvent être acquises à l'avenir.
