C'est un rêve de longue date :éliminer le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre inerte, de l'atmosphère et l'utiliser comme matériau de base pour l'industrie chimique. Cela pourrait résoudre deux problèmes majeurs à la fois en contenant le changement climatique et en réduisant en même temps la dépendance au pétrole. Les physico-chimistes de l'Université de Bonn sont en train d'apporter des contributions significatives à cette vision. Ils ont découvert une nouvelle façon de créer une forme hautement réactive de dioxyde de carbone à l'aide d'impulsions laser. Les résultats ont été publiés en ligne à l'avance et seront bientôt présentés dans l'édition imprimée de la revue Angewandte Chemie .
Tous les jours, la nature montre aux humains comment lier élégamment le dioxyde de carbone de l'air et le transformer en une matière première indispensable. Les plantes effectuent la photosynthèse avec leurs feuilles vertes lorsqu'elles sont exposées à la lumière. L'oxygène et le sucre fournisseur d'énergie et de nutriments indispensables sont créés à partir de dioxyde de carbone et d'eau à l'aide de la lumière du soleil.
« Les scientifiques s'efforcent d'imiter ce modèle depuis longtemps, par exemple pour utiliser le dioxyde de carbone pour l'industrie chimique, " explique le professeur Peter Vöhringer de l'Institut de chimie physique et théorique de l'Université de Bonn. Ce qui rend le concept difficile à mettre en œuvre, c'est qu'il est très difficile de pousser le dioxyde de carbone dans de nouveaux partenariats avec d'autres molécules.
Avec son équipe, le physico-chimiste a maintenant découvert une nouvelle façon de générer une variante hautement réactive du gaz à effet de serre inerte et difficile à lier. Les chercheurs ont utilisé un complexe de fer :le centre contient un atome de fer chargé positivement, auquel les constituants du dioxyde de carbone sont déjà liés plusieurs fois. Les scientifiques ont envoyé des impulsions laser ultracourtes de lumière ultraviolette sur ce complexe de fer, qui a rompu certains liens. Le produit résultant était un radical dit de dioxyde de carbone, qui tisse aussi de nouveaux liens avec une certaine radicalité.
De tels radicaux ont un seul électron dans leur enveloppe externe qui veut de toute urgence se lier de façon permanente à une autre molécule ou un autre atome. "C'est cet électron non apparié qui distingue notre anion radical réactif lié à l'atome de fer central du dioxyde de carbone inerte et le rend si prometteur pour les processus chimiques, " explique l'auteur principal Steffen Straub de l'équipe de Vöhringer. Les radicaux pourraient à leur tour être les éléments constitutifs de produits chimiques intéressants, comme le méthanol comme carburant ou l'urée pour les synthèses chimiques et l'acide salicylique comme analgésique.
Le spectromètre montre des molécules au travail
Avec leur spectromètre laser et infrarouge, un gros appareil au sous-sol de l'institut, les scientifiques observent les molécules à l'œuvre. Le spectromètre mesure les vibrations caractéristiques des molécules, et cette « empreinte digitale » leur permet d'identifier les liaisons entre différents atomes. "La formation du radical dioxyde de carbone au sein du complexe de fer modifie les liaisons entre les atomes, ce qui réduit la fréquence de la vibration caractéristique du dioxyde de carbone, " explique Straub.
Avec un instinct médico-légal, les scientifiques ont pu prouver que les impulsions laser produisent réellement le radical réactif de dioxyde de carbone. D'abord, l'équipe a simulé les spectres vibrationnels des molécules sur ordinateur, ensuite comparé les calculs aux mesures. Le résultat :la simulation et l'expérimentation étaient en effet un excellent match. Comme un "film moléculaire, " le spectromètre a pris des "instantanés" dans la résolution temporelle inimaginable du millionième de milliardième de seconde. Sur la base des spectres, qui correspondent aux images individuelles d'un film, on peut ainsi révéler - essentiellement au ralenti - comment le complexe de fer se déforme sous éclairage laser pulsé en plusieurs étapes, les liaisons se brisent et finalement le radical se forme.
"Nos découvertes ont le potentiel de changer fondamentalement les idées sur la façon d'extraire le dioxyde de carbone des gaz à effet de serre de l'atmosphère et de l'utiliser pour produire des produits chimiques importants, " dit Vöhringer. Cependant, des catalyseurs appropriés devraient encore être développés pour une utilisation industrielle car les impulsions laser ne sont pas efficaces pour la conversion à grande échelle. "Néanmoins, nos résultats fournissent des indices sur la façon dont un tel catalyseur devrait être conçu, " ajoute le scientifique. L'étude actuelle s'inscrit dans les domaines clés multidisciplinaires du profil sur la durabilité ainsi que la recherche sur la matière à l'Université de Bonn.
