Une nouvelle étude montre que les électrons se dispersant des molécules de pyridine de deux manières différentes, comme le montrent le cône orange rayé et la bobine rouge, pourrait être séparé, permettant aux chercheurs d'observer simultanément comment les noyaux et les électrons de la molécule réagissent aux éclairs de lumière. L'étude a été réalisée avec la "caméra électronique, " MeV-UED. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
À l'aide d'une « caméra à électrons » à grande vitesse au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, les scientifiques ont capturé simultanément les mouvements des électrons et des noyaux dans une molécule après qu'elle ait été excitée par la lumière. C'est la première fois que cela est fait avec la diffraction d'électrons ultrarapide, qui diffuse un puissant faisceau d'électrons sur les matériaux pour capter de minuscules mouvements moléculaires.
« Dans cette recherche, nous montrons qu'avec la diffraction électronique ultrarapide, il est possible de suivre les évolutions électroniques et nucléaires en démêlant naturellement les deux composants, " dit Todd Martinez, un professeur de chimie de Stanford et chercheur du Stanford PULSE Institute impliqué dans l'expérience. "C'est la première fois que nous avons pu voir directement à la fois les positions détaillées des atomes et les informations électroniques en même temps."
La technique pourrait permettre aux chercheurs d'obtenir une image plus précise du comportement des molécules tout en mesurant les aspects des comportements électroniques qui sont au cœur des simulations de chimie quantique, fournir une nouvelle base pour les futures méthodes théoriques et informatiques. L'équipe a publié ses conclusions aujourd'hui dans Science .
Squelettes et colle
Dans des recherches antérieures, L'instrument du SLAC pour la diffraction ultrarapide des électrons, MeV-UED, a permis aux chercheurs de créer des "films" haute définition de molécules à un carrefour et des changements structurels qui se produisent lorsque des molécules en forme d'anneau s'ouvrent en réponse à la lumière. Mais jusqu'à maintenant, l'instrument n'était pas sensible aux changements électroniques dans les molécules.
"Autrefois, nous avons pu suivre les mouvements atomiques au fur et à mesure qu'ils se produisaient, " dit l'auteur principal Jie Yang, un scientifique de la Direction des accélérateurs du SLAC et du Stanford PULSE Institute. "Mais si vous regardez de plus près, vous verrez que les noyaux et les électrons qui composent les atomes ont également des rôles spécifiques à jouer. Les noyaux constituent le squelette de la molécule tandis que les électrons sont la colle qui maintient le squelette ensemble."
Figer les mouvements ultrarapides
Dans ces expériences, une équipe dirigée par des chercheurs du SLAC et de l'Université de Stanford étudiait la pyridine, qui appartient à une classe de molécules en forme d'anneau qui sont au cœur des processus induits par la lumière tels que les dommages et la réparation de l'ADN induits par les UV, photosynthèse et conversion de l'énergie solaire. Parce que les molécules absorbent la lumière presque instantanément, ces réactions sont extrêmement rapides et difficiles à étudier. Les caméras ultra-rapides comme MeV-UED peuvent « geler » les mouvements se produisant en quelques femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde, permettre aux chercheurs de suivre les changements au fur et à mesure qu'ils se produisent.
D'abord, les chercheurs ont envoyé une lumière laser dans un gaz de molécules de pyridine. Prochain, ils ont fait exploser les molécules excitées avec une courte impulsion d'électrons de haute énergie, générer des instantanés de leurs électrons et noyaux atomiques se réorganisant rapidement qui peuvent être enchaînés dans un film en stop-motion des changements structurels induits par la lumière dans l'échantillon.
Avec les méthodes précédentes, les chercheurs ont pu observer l'atome d'azote dans une molécule de pyridine se plier de haut en bas lorsqu'il est excité par la lumière. Avec cette nouvelle méthode, ils ont également pu voir des changements de densité électronique se produire en même temps. Les bulles bleues représentent une densité électronique décroissante tandis que les bulles rouges montrent une augmentation par rapport à la pyridine non excitée. Crédit :Jimmy Yu/Université de Stanford
Une séparation nette
L'équipe a découvert que les signaux de diffusion élastique, produit lorsque les électrons diffractent une molécule de pyridine sans absorber d'énergie, informations codées sur le comportement nucléaire des molécules, tandis que les signaux de diffusion inélastique, produit lorsque les électrons échangent de l'énergie avec la molécule, contenait des informations sur les modifications électroniques. Les électrons de ces deux types de diffusion ont émergé sous des angles différents, permettant aux chercheurs de séparer proprement les deux signaux et d'observer directement ce que les électrons et les noyaux de la molécule faisaient en même temps.
"Ces deux observations concordent presque précisément avec une simulation conçue pour prendre en compte tous les canaux de réaction possibles, " dit le co-auteur Xiaolei Zhu, qui était stagiaire postdoctoral à Stanford au moment de cette expérience. "Cela nous donne une vision exceptionnellement claire de l'interaction entre les changements électroniques et nucléaires."
Techniques complémentaires
Les scientifiques pensent que cette méthode complétera la gamme d'informations structurelles collectées par diffraction des rayons X et d'autres techniques sur des instruments tels que le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, qui est capable de mesurer des détails précis de la dynamique chimique sur les échelles de temps les plus courtes, comme récemment rapporté pour une autre réaction chimique induite par la lumière.
« Nous constatons que MeV-UED devient de plus en plus un outil complémentaire à d'autres techniques, " explique le co-auteur et scientifique du SLAC Thomas Wolf. " Le fait que nous puissions obtenir des structures électroniques et nucléaires dans le même ensemble de données, mesurés ensemble mais observés séparément, offrira de nouvelles opportunités de combiner ce que nous apprenons avec les connaissances d'autres expériences."
"Une nouvelle façon de voir les choses"
À l'avenir, cette technique pourrait permettre aux scientifiques de suivre des processus photochimiques ultrarapides où la synchronisation des changements électroniques et nucléaires est cruciale pour le résultat de la réaction.
"Cela ouvre vraiment une nouvelle façon de voir les choses avec la diffraction ultrarapide des électrons, " dit le co-auteur Xijie Wang, directeur de l'instrument MeV-UED. "Nous essayons toujours de découvrir comment les électrons et les noyaux interagissent réellement pour rendre ces processus si rapides. Cette technique nous permet de distinguer ce qui vient en premier - le changement des électrons ou le changement des noyaux. Une fois que vous obtenez un une image complète de la façon dont ces changements se produisent, vous pouvez commencer à prédire et contrôler les réactions photochimiques."
