Les réactions chimiques transforment les réactifs en produits à travers un état intermédiaire où les liaisons se brisent et se forment. Souvent trop éphémères pour être observées, cette phase a jusqu'à présent échappé à une enquête intime. En "gelant" la rotation, vibration, et le mouvement des réactifs (ici, molécules de potassium-rubidium) à une température de 500 nanokelvin (à peine au-dessus du zéro absolu), le nombre de sorties énergétiquement autorisées pour les produits est limité. "Piégé" dans l'intermédiaire beaucoup plus longtemps, les chercheurs peuvent alors observer cette phase directement avec une détection par photoionisation. Cette technique ouvre la voie au contrôle quantique des réactions chimiques avec des molécules ultrafroides. Crédit :Ming-Guang Hu
La réaction chimique la plus froide de l'univers connu a eu lieu dans ce qui semble être un désordre chaotique de lasers. L'apparence trompe :au plus profond de ce chaos minutieusement organisé, à des températures des millions de fois plus froides que l'espace interstellaire, Kang-Kuen Ni a réalisé un exploit de précision. Forcer deux molécules ultrafroides à se rencontrer et à réagir, elle a rompu et formé les liaisons les plus froides de l'histoire des couplages moléculaires.
"Probablement dans les prochaines années, nous sommes le seul laboratoire qui peut le faire, " dit Ming-Guang Hu, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire Ni et premier auteur de leur article publié aujourd'hui dans Science . Il y a cinq ans, Non, le professeur agrégé Morris Kahn de chimie et de biologie chimique et un pionnier de la chimie ultrafroide, a entrepris de construire un nouvel appareil capable d'obtenir les réactions chimiques à la température la plus basse de toutes les technologies actuellement disponibles. Mais ils ne pouvaient pas être sûrs que leur ingénierie complexe fonctionnerait.
Maintenant, ils ont non seulement effectué la réaction la plus froide à ce jour, ils ont découvert que leur nouvel appareil pouvait faire quelque chose qu'ils n'avaient même pas prévu. Dans un froid aussi intense - 500 nanokelvins ou quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu - leurs molécules ont ralenti à des vitesses glaciaires, Ni et son équipe ont pu voir quelque chose que personne n'a pu voir auparavant :le moment où deux molécules se rencontrent pour former deux nouvelles molécules. En substance, ils ont capturé une réaction chimique dans son acte le plus critique et insaisissable.
Les réactions chimiques sont littéralement responsables de tout :la respiration, cuisson, digérer, créer de l'énergie, médicaments, et des produits ménagers comme le savon. Donc, comprendre comment ils fonctionnent à un niveau fondamental pourrait aider les chercheurs à concevoir des combinaisons que le monde n'a jamais vues. Avec un nombre presque infini de nouvelles combinaisons possibles, ces nouvelles molécules pourraient avoir des applications infinies, de la production d'énergie plus efficace à de nouveaux matériaux tels que des murs anti-moisissure et des blocs de construction encore meilleurs pour les ordinateurs quantiques.
Dans son travail précédent, Ni a utilisé des températures de plus en plus froides pour opérer cette magie chimique :forger des molécules à partir d'atomes qui, autrement, ne réagiraient jamais. Refroidi à de tels extrêmes, les atomes et les molécules ralentissent à un crawl quantique, leur état énergétique le plus bas possible. Là, Ni peut manipuler les interactions moléculaires avec la plus grande précision. Mais même elle ne pouvait voir que le début de ses réactions :deux molécules entrent, mais alors quoi ? Ce qui s'est passé au milieu et à la fin était un trou noir que seules les théories pouvaient essayer d'expliquer.
Les réactions chimiques se produisent en seulement des millionièmes de milliardième de seconde, mieux connu dans le monde scientifique sous le nom de femtosecondes. Même la technologie la plus sophistiquée d'aujourd'hui ne peut pas capturer quelque chose d'aussi éphémère, même si certains s'en rapprochent. Au cours des vingt dernières années, les scientifiques ont utilisé des lasers ultra-rapides comme des caméras à action rapide, prendre des images rapides des réactions au fur et à mesure qu'elles se produisent. Mais ils ne peuvent pas capturer l'image entière. "La plupart du temps, " Ni a dit, "vous voyez juste que les réactifs disparaissent et que les produits apparaissent dans un temps que vous pouvez mesurer. Il n'y avait pas de mesure directe de ce qui s'est réellement passé dans ces réactions chimiques." Jusqu'à maintenant.
Les températures ultrafroides de Ni forcent les réactions à une vitesse comparativement engourdie. "Parce que [les molécules] sont si froides, " Ni a dit, "Maintenant, nous avons en quelque sorte un effet de goulot d'étranglement." Lorsqu'elle et son équipe ont réagi avec deux molécules de rubidium de potassium, choisies pour leur souplesse, les températures ultrafroides ont forcé les molécules à s'attarder au stade intermédiaire pendant des microsecondes. Les microsecondes, à peine des millionièmes de seconde, peuvent sembler courtes, mais c'est des millions de fois plus long que d'habitude et assez long pour Ni et son équipe pour enquêter sur la phase où les liens se brisent et se forment, en substance, comment une molécule se transforme en une autre.
Avec cette vision intime, Ni a déclaré qu'elle et son équipe peuvent tester des théories qui prédisent ce qui se passe dans le trou noir d'une réaction pour confirmer s'ils ont bien compris. Puis, son équipe peut élaborer de nouvelles théories, utiliser des données réelles pour prédire plus précisément ce qui se passe lors d'autres réactions chimiques, même ceux qui se déroulent dans le mystérieux royaume quantique.
Déjà, l'équipe explore ce qu'elle peut apprendre d'autre dans son banc d'essai ultrafroid. Prochain, par exemple, ils pourraient manipuler les réactifs, les excitant avant qu'ils ne réagissent pour voir comment leur énergie accrue affecte le résultat. Ou, ils pourraient même influencer la réaction au fur et à mesure qu'elle se produit, poussant une molécule ou l'autre. "Avec notre contrôlabilité, cette fenêtre de temps est assez longue, on peut sonder, " dit Hu. "Maintenant, avec cet appareil, on peut y penser. Sans cette technique, sans ce papier, nous ne pouvons même pas y penser."
