Des rayons X ultrarapides capturent la chimie se déroulant atome par atome
Des scientifiques ont observé comment l’énergie se déplace à travers une molécule immédiatement après qu’elle ait absorbé de la lumière, révélant que des atomes individuels peuvent enregistrer des parties très différentes de la transformation. Grâce à des éclairs de rayons X rapides produits au European XFEL, les chercheurs ont suivi les changements au niveau d’atomes spécifiques alors que la molécule libérait et redistribuait l’énergie absorbée. Leurs résultats montrent que l’exposition à la lumière peut rendre un atome plus réactif aux mouvements des atomes voisins.
Cette technique offre aux scientifiques un moyen d’examiner des réactions chimiques extrêmement rapides à l’échelle atomique et en temps réel. Elle pourrait éventuellement améliorer la compréhension de la manière dont l’ADN résiste à l’exposition à la lumière, comment l’énergie se déplace à travers des matériaux conçus pour récolter la lumière, et comment d’autres processus fondamentaux déclenchés par la lumière se produisent.
Suivre l’énergie à travers une molécule
Les chercheurs ont étudié la 3-fluoropyridine, une petite molécule en forme d’anneau contenant des atomes d’azote et de fluor. Lorsque la molécule absorbe de l’énergie d’une brève impulsion de laser ultraviolet, ses électrons entrent dans un état d’énergie supérieur. La molécule se plie rapidement hors de sa structure normalement plate. En changeant de forme, elle traverse ce que les scientifiques appellent une intersection conique : un point de croisement éphémère mais crucial où les mouvements des électrons et des noyaux atomiques deviennent fortement couplés. Ces intersections jouent un rôle important dans de nombreuses réactions déclenchées par la lumière, car elles permettent à l’énergie de se déplacer rapidement entre les mouvements électroniques et structuraux.
Après avoir traversé cette région, la molécule revient à son état fondamental. L’énergie électronique excédentaire est ensuite convertie en vibrations qui se propagent à travers la structure moléculaire.
Différents atomes révèlent différents changements
La conversion d’énergie produit des signaux distincts à différents emplacements au sein de la molécule. L’atome de fluor a servi d’indicateur relativement clair de la manière dont les vibrations de la molécule se sont détendues au fil du temps. L’atome d’azote a révélé une histoire plus compliquée. En raison de son rôle plus direct dans l’excitation électronique initiale, son signal reflétait à la fois la redistribution des électrons et la structure changeante de la molécule.
« Nous pouvons maintenant voir que chaque site atomique ne raconte pas la même histoire dans les signaux que nous capturons de nos impulsions de rayons X, » déclare Antonio Picón de l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICMM-CSIC), co-auteur de l’étude. « Certains atomes rapportent où va la charge, tandis que d’autres révèlent comment toute la molécule vibre. »
Reconstruction d’une transformation en picosecondes
Pour capturer ce processus, l’équipe a utilisé la spectroscopie de photoélectrons X résolue dans le temps (tr-XPS) à l’instrument Small Quantum Systems (SQS) du European XFEL. D’abord, une impulsion de laser ultraviolet a délivré de l’énergie aux molécules. Une impulsion de rayons X douce, soigneusement chronométrée, les a ensuite ionisées en retirant des électrons profondément liés soit des atomes d’azote, soit des atomes de fluor. Les chercheurs ont répété la me avec l’impulsion de rayons X arrivant à différents délais après l’impulsion laser initiale. En enregistrant les énergies des électrons libérés, ils ont reconstruit comment l’environnement chimique entourant chaque atome a changé en quelques picosecondes.
Des simulations informatiques avancées et des modèles théoriques ont ensuite été utilisés pour interpréter les signaux expérimentaux et les relier aux changements électroniques et structurels sous-jacents.
Une nouvelle perspective sur la photochimie ultrarapide
Les résultats démontrent comment les impulsions de rayons X ultracourtes et à haute luminosité disponibles au European XFEL peuvent séparer certains des mouvements interconnectés les plus rapides de la matière. Bien que l’expérience se soit concentrée sur une molécule relativement simple, la même approche pourrait être appliquée à des systèmes de plus en plus complexes. Les cibles possibles incluent des molécules organiques fonctionnelles, des blocs de construction biomoléculaires et des matériaux conçus pour capturer ou transférer l’énergie de la lumière.
« C’est ce pour quoi le European XFEL a été construit : observer le changement chimique là où il commence, à des sites atomiques spécifiques et à son échelle de temps naturelle, » déclare Daniel Rivas, ancien scientifique d’instrument, maintenant scientifique invité au SQS et co-auteur de l’étude. « En combinant la sensibilité multi-sites avec une résolution en femtosecondes, nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur les mécanismes microscopiques qui régissent la photochimie. »
Source : European XFEL.
