Filmer la naissance d’une molécule dans un solvant

Lors d’une réaction chimique en solution, le solvant joue un rôle déterminant. Il absorbe l’énergie excédentaire libérée lors de la réaction et la molécule formée. La nature du solvant affecte ainsi le résultat final d’une réaction et sa dynamique. L’étude expérimentale des phénomènes en jeu, et notamment du réarrangement des liaisons qui se forment au cours des réactions chimiques dans des liquides, restait un défi majeur à cause de l’extrême rapidité des mouvements atomiques. Une équipe de physiciens et de chimistes a utilisé des techniques ultrarapides de rayons X et une méthode originale d’exploitation des mesures pour visualiser la naissance d’une molécule diatomique dans un solvant à partir de deux atomes libres. Les expériences ont été réalisées sur le synchrotron de l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble sous la direction de Michael Wulff et de Hyotherl Ihee de l’Institut Coréen des Études Avancées (KAIST). Les travaux théoriques ont été développés sous la direction de Savo Bratos, au Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée - LPTMC (CNRS / UPMC). C’est la toute première fois que la naissance d’une molécule dans un solvant a été filmée en temps réel. Ce travail est publié dans le Journal of the American Chemical Society.

Lors de leur formation, les molécules naissent dans des états de haute énergie et exécutent des vibrations très rapides et de grande amplitude. En solution, la nouvelle molécule se refroidit en transférant de l’énergie dans le milieu environnant, c’est-à-dire le solvant, ce qui affecte et la vitesse de réaction, et la nature des produits formés. Comprendre finement les mécanismes en jeu est un défi majeur à fort potentiel de retombées industrielles. Pour ce travail, les chercheurs ont étudié la formation d’une molécule d’iode I₂ en solution. Dans une première étape, un flash laser intense et long de quelques picosecondes (le millionième de millionième de seconde) dissocie des molécules d’iode. L’expérience est renouvelée un très grand nombre de fois, en faisant suivre le flash laser d’un flash de rayon X longs d’une centaine de picosecondes après un délai multiple de 10 picosecondes. L’exploitation des signaux détectés grâce à un algorithme spécialement développé permet alors de reconstituer le mouvement des atomes de la molécule et du solvant avec une résolution temporelle de 10 picosecondes, c’est-à-dire beaucoup moins que la durée du flash utilisé pour prendre la photo. Les scientifiques ont ainsi établi que la distance entre atomes d’iode augmente jusqu’à 0,4 nanomètre puis revient à la distance d’équilibre de la molécule de 0,267 nanomètre. Pendant ce processus, la première cage de solvatation s’étant de 0,15 nanomètre le long de l’axe joignant les deux molécules d’iode puis rétrécit à sa taille initiale en accompagnant les changements de structure de la molécule d’iode. En comparant les mesures effectuées dans deux solvants, les chercheurs ont montré que dans le tétrachlorure de carbone, la distance maximale entre atomes d’iode est plus faible et que le retour à l’équilibre est plus rapide que dans le cyclohexane.

Signaux X générés par la recombinaison de molécules d’iode I₂ dans CCl₄, préalablement photo-dissociés par tir laser. La variable r indique la distance entre les deux atomes d’iode, et t le temps écoulé après le début de la réassociation. La dépopulation de l’état électronique fondamental de I₂ est clairement visible (barre bleue), comme l’est aussi le rapprochent des atomes de I au cours de la réassociation (crête orange).