Le gaz naturel est utilisé dans les raffineries comme base pour des produits comme l'acétylène. L'efficacité des réactions gazeuses dépend de la dynamique des molécules - leur rotation, vibration et translation (mouvement directionnel). Ces mouvements fournissent l'énergie cinétique pour conduire les réactions. En comprenant la dynamique des gaz, les chercheurs peuvent concevoir des systèmes industriels plus efficaces et plus respectueux de l'environnement.

Les molécules de gaz peuvent être étudiées par microscopie électronique à transmission (MET). Contrairement à la microscopie optique, TEM utilise un faisceau d'électrons au lieu de la lumière, et a une résolution beaucoup plus élevée, capable de visualiser des atomes isolés. Une étude récente publiée dans Rapports scientifiques rapporte les travaux d'une équipe de l'Institut des sciences industrielles (IIS) de l'Université de Tokyo en collaboration avec Hitachi High-Technologies Corp. Les chercheurs ont utilisé une version avancée de TEM pour étudier la dynamique des gaz simples à haute température.

« En TEM, le faisceau d'électrons énergétiques peut être utilisé pour réaliser une autre expérience en même temps, connue sous le nom de structure proche du bord à perte d'énergie [ELNES], " explique le premier auteur Hirotaka Katsukura. " Les électrons du faisceau cèdent une partie de leur énergie cinétique lorsqu'ils traversent l'échantillon. La mesure de cette perte d'énergie révèle quels éléments sont présents et comment ils sont liés les uns aux autres."

En théorie, ELNES permet également de mesurer la dynamique des molécules de gaz, pas seulement leur liaison chimique. Cependant, les chercheurs n'avaient jamais extrait d'informations dynamiques d'ELNES auparavant. L'équipe IIS a choisi quatre gaz :l'oxygène, méthane, l'azote et le monoxyde de carbone - dont la liaison est bien comprise, et réalisé ELNES à température ambiante et 1, 000°C. Surtout, ils ont également effectué des simulations informatiques de ces gaz, en utilisant le code de dynamique moléculaire, pour prédire théoriquement les effets d'une température élevée.

Généralement, quand les molécules sont chauffées, ils vibrent plus vite et les liaisons entre leurs atomes s'allongent. Dans les expériences IIS, deux gaz - l'oxygène et le méthane - l'ont fait, En effet, montrer des changements dynamiques à haute température, avec des vibrations nettement plus rapides. Cependant, l'azote et le monoxyde de carbone ne semblent pas vibrer différemment à 1000°C, malgré leur énergie cinétique supplémentaire. De plus, la vibration à haute température simulée du méthane correspondait très étroitement aux expériences, mais la vibration de l'oxygène chaud était surestimée.

"Les molécules de gaz dans un appareil de chauffage peuvent gagner de l'énergie cinétique de trois manières, " dit l'auteur correspondant Teruyasu Mizoguchi. " À savoir, en rebondissant l'un sur l'autre, en touchant directement l'élément chauffant, ou en absorbant indirectement la chaleur par les rayons infrarouges. Ce dernier n'est possible que pour les gaz avec des liaisons chimiques polaires, où un élément éloigne les électrons de l'autre. Cela s'applique au méthane (CH4), mais pas d'oxygène, un élément pur. Par conséquent, l'oxygène s'est réchauffé plus lentement que les simulations ne l'avaient prédit."

Pendant ce temps, l'échec de l'azote et du monoxyde de carbone à subir une excitation vibrationnelle était également le résultat de leurs liaisons - cependant, dans ce cas, ils étaient tout simplement trop rigides pour vibrer beaucoup plus vite. Ces résultats soulignent l'importance de prendre en compte la liaison chimique, même pour des processus apparemment simples comme la vibration d'une molécule à deux atomes.

Néanmoins, l'équipe pense que les développements rapides d'ELNES rendront bientôt la méthode suffisamment sensible pour détecter les changements vibrationnels même dans les molécules rigides. Cela ouvrira la voie à une meilleure compréhension des réactions des gaz au niveau atomique.