Une étape importante dans le tournage des réactions chimiques —
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Exploser un sujet photo pour le prendre en photo ? Une équipe de recherche internationale de l’European XFEL, le plus grand laser à rayons X au monde, a appliqué cette méthode “extrême” pour prendre des photos de molécules complexes. Les scientifiques ont utilisé les flashs de rayons X ultra-lumineux générés par l’installation pour prendre des instantanés de molécules d’iodopyridine en phase gazeuse à une résolution atomique. Le laser à rayons X a fait exploser les molécules et l’image a été reconstruite à partir des morceaux. “Grâce aux impulsions de rayons X extrêmement intenses et particulièrement courtes du XFEL européen, nous avons pu produire une image d’une clarté sans précédent pour cette méthode et la taille de la molécule”, rapporte Rebecca Boll du XFEL européen, investigatrice principale de l’expérience. et l’un des deux premiers auteurs de la publication dans la revue scientifique Nature Physics dans laquelle l’équipe décrit ses résultats. Des images aussi claires de molécules complexes n’ont pas été possibles en utilisant cette technique expérimentale jusqu’à présent.
Les images sont une étape importante vers l’enregistrement de films moléculaires, que les chercheurs espèrent utiliser à l’avenir pour observer les détails des réactions biochimiques et chimiques ou des changements physiques à haute résolution. Ces films devraient stimuler les développements dans divers domaines de recherche. “La méthode que nous utilisons est particulièrement prometteuse pour étudier les processus photochimiques”, explique Till Jahnke du XFEL européen et de l’Université Goethe de Francfort, qui est membre de l’équipe principale chargée de l’étude. De tels processus dans lesquels des réactions chimiques sont déclenchées par la lumière sont d’une grande importance à la fois en laboratoire et dans la nature, par exemple dans la photosynthèse et dans les processus visuels de l’œil. “Le développement de films moléculaires est une recherche fondamentale”, explique Jahnke, espérant que “les connaissances acquises grâce à eux pourraient nous aider à mieux comprendre ces processus à l’avenir et à développer de nouvelles idées pour la médecine, la production d’énergie durable et la recherche sur les matériaux”.
Dans la méthode connue sous le nom d’imagerie par explosion de Coulomb, une impulsion laser à rayons X de haute intensité et ultra-courte élimine un grand nombre d’électrons de la molécule. En raison de la forte répulsion électrostatique entre les atomes restants chargés positivement, la molécule explose en quelques femtosecondes – un millionième de milliardième de seconde. Les fragments ionisés individuels s’envolent alors et sont enregistrés par un détecteur.
“Jusqu’à présent, l’imagerie de l’explosion de Coulomb était limitée aux petites molécules composées d’au plus cinq atomes”, explique Julia Schäfer du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) à DESY, l’autre premier auteur de l’étude. “Grâce à notre travail, nous avons dépassé cette limite pour cette méthode.” L’iodopyridine (C5H4IN) est constituée de onze atomes.
Le studio de cinéma pour les images de molécules explosives est l’instrument SQS (Small Quantum Systems) du XFEL européen. Un microscope à réaction COLTRIMS (REMI) développé spécialement pour ce type d’investigation applique des champs électriques pour diriger les fragments chargés vers un détecteur. L’emplacement et le moment de l’impact des fragments sont déterminés puis utilisés pour reconstituer leur impulsion – le produit de la masse et de la vitesse – avec laquelle les ions frappent le détecteur. “Ces informations peuvent être utilisées pour obtenir des détails sur la molécule et, à l’aide de modèles, nous pouvons reconstituer le déroulement des réactions et des processus impliqués”, explique Robin Santra, chercheur à DESY, qui a dirigé la partie théorique des travaux.
L’imagerie par explosion coulombienne est particulièrement adaptée au suivi d’atomes très légers comme l’hydrogène dans des réactions chimiques. La technique permet des investigations détaillées des molécules individuelles dans la phase gazeuse, et est donc une méthode complémentaire pour produire des films moléculaires, parallèlement à celles développées pour les liquides et les solides sur d’autres instruments XFEL européens.
“Nous voulons comprendre en détail les processus photochimiques fondamentaux. En phase gazeuse, il n’y a pas d’interférence d’autres molécules ou de l’environnement. Nous pouvons donc utiliser notre technique pour étudier des molécules individuelles et isolées”, explique Jahnke. Boll ajoute: “Nous travaillons sur l’étude de la dynamique moléculaire comme prochaine étape, afin que des images individuelles puissent être combinées dans un véritable film moléculaire, et avons déjà mené la première de ces expériences.”
Les enquêtes ont impliqué des chercheurs de l’Université de Hambourg, de l’Université Goethe de Francfort, de l’Université de Kassel, de l’Université Jiao Tong de Shanghai, de l’Université d’État du Kansas, des Instituts Max Planck pour la recherche médicale et de physique nucléaire, de l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, le laboratoire d’accélération américain SLAC, le pôle d’excellence hambourgeois CUI : Advanced Imaging of Matter, le Center for Free-Electron Laser Science de DESY, DESY et le XFEL européen.
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université Goethe de Francfort. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
