Les catalyseurs facilitent les réactions chimiques cruciales dans la nature et l'industrie. Dans un sous-ensemble d'entre eux, l'activité catalytique est déclenchée par la lumière. Par exemple, lorsque le pentacarbonyle en fer – une molécule dans laquelle un atome de fer central est entouré de cinq groupes de monoxyde de carbone – est exposé à la lumière, le fer perd ses groupes de monoxyde de carbone l'un après l'autre, créant des taches pour d'autres molécules pour accoster lors d'une réaction catalytique.
Bien que ce processus ait été largement étudié avec la spectroscopie, une méthode qui montre comment l'énergie se déplace dans les molécules, les détails clés de la façon dont les atomes du catalyseur changent la structure après avoir été frappé par la lumière restent inconnus.
Maintenant, écrivant dans le journal Communications de la natureune équipe dirigée par des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory Rapport du ministère de l'Énergie, comment ils ont utilisé des rayons X ultrafast à partir de la source de lumière cohérente Linac (LCLS), combinée à des progrès théoriques récents, pour révéler ces mouvements atomiques sur une période de temps de Femtoseconds, millionième d'un milliard de seconde. La technique pourrait être utilisée pour observer des mouvements atomiques rapides dans des catalyseurs plus complexes.
« Une partie du plaisir consiste à faire des outils qui ouvriront de nouvelles portes », a déclaré Adi Natan, chercheur principal et scientifique du Stanford Pulse Institute, un Institute conjoint de SLAC et de l'Université de Stanford. « Et être capable de voir comment les structures moléculaires évoluent avec des détails sans précédent nous permettra d'apprendre quelque chose de nouveau sur la chimie des molécules. »
Obtenir plus de données de diffusion des rayons X
À LCLS, l'équipe a brillé des impulsions de rayons X sur son échantillon de pentacarbonyle en fer et a analysé comment les radiographies se sont dispersées dans un détecteur. Les changements dans le modèle de diffusion enregistré au fil du temps leur ont permis de déterminer comment la structure atomique de l'échantillon a répondu aux éclairs de la lumière déclenchants.
Cependant, la taille finie du détecteur et d'autres contraintes expérimentales limitent la quantité d'information que les chercheurs peuvent glaner à partir de ces signaux de diffusion. Natan a déclaré: « Transformer ces données de diffusion restreintes en informations structurelles dans l'espace réel, c'est comme essayer de voir de beaux détails à travers un miroir Funhouse. »
Pour surmonter ces limites, les chercheurs interprètent généralement les données de diffusion en faisant correspondre des simulations de structures moléculaires possibles avec les données au lieu de traduire les données directement dans un espace réel. Cela signifie également que l'analyse devient plus difficile, plus il est difficile de simuler une structure moléculaire. Le centre de métal en fer pentacarbonyle, par exemple, rend les simulations de mouvements atomiques très difficiles.
Pour contourner cela, Natan a utilisé une approche théorique qu'il a développée précédemment qui relie les modèles de diffusion observés aux distances entre toutes les paires atomiques possibles dans la molécule. Cela permet à la structure d'être extraite directement des données de diffusion sans simulations.
Les «spectateurs» atomiques ouvrent la voie à des analyses plus complexes
L'étude LCLS sur le pentacarbonyle en fer a été l'une des premières applications expérimentales de cette nouvelle approche, et elle a permis aux chercheurs de suivre précisément ce qui est arrivé au pentacarbonyle de fer car il a perdu deux groupes de monoxyde de carbone après un éclair de lumière.
Premièrement, la lumière a créé des vibrations dans la molécule qui ont conduit à la dissociation d'un monoxyde de carbone et à un réarrangement simultané des monoxydes de carbone restants autour du fer central. Ensuite, le deuxième groupe de monoxyde de carbone a été perdu avec un mouvement moins coordonné.
Mais l'équipe de recherche a également observé un effet auxquels ils ne s'attendaient pas. Bien que les vibrations observées soient originaires d'une paire de carbone de fer, les agitateurs se sont également produits dans de nombreuses autres paires atomiques, qui ont agi comme des « spectateurs » qui amplifiaient le mouvement d'origine.
Natan a déclaré que l'effet du spectateur permet le suivi des mouvements atomiques dans toute la molécule en utilisant le mouvement de la paire atomique d'origine pour comparer les mouvements d'autres paires. Et, parce que l'effet ne dépend pas de la complexité d'une molécule, il ouvre une porte à observer des molécules beaucoup plus complexes que le pentacarbonyle de fer.
La combinaison des résultats structurels avec des données de spectroscopie fournit une image plus complète de la façon dont les réactions chimiques se déroulent – des ingitants qui pourraient finalement permettre aux chercheurs d'adapter les performances des catalyseurs pour différentes applications.
« Comprendre comment l'énergie circule à travers les molécules et comment les atomes se déplacent dans l'espace réel et le temps nous rapproche des réactions chimiques de contrôle, nous aidant à concevoir des matériaux », a déclaré Natan.
En plus des chercheurs du Stanford Pulse Institute, de LCLS et de Stanford, l'équipe comprenait des membres du Pacific Northwest National Laboratory de DOE; Brown University; Western Connecticut State University; Université de Stockholm, Suède; et TCG Centers for Research and Education in Science and Technology, Inde.
