Les scientifiques sont constamment à la recherche de la source de choses comme l'origine de l'univers, la matière ou la vie. Des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), en collaboration avec le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et plusieurs autres universités, ont démontré un moyen de détecter expérimentalement l'aspect le plus caché de toutes les réactions chimiques - l'état de transition extrêmement court qui se produit à leur initiation. Cette découverte cruciale pourrait devenir déterminante pour acquérir la capacité de prédire et de contrôler de manière externe les résultats des processus chimiques.

"L'état de transition est essentiel dans toute la chimie car il contrôle les produits des réactions moléculaires, " dit Kirill Prozument, auteur principal et chimiste à la division Sciences et Génie Chimiques d'Argonne. Muni d'une connaissance plus complète de certaines réactions chimiques à partir de l'état de transition, les chercheurs pourraient être en mesure d'améliorer les processus industriels impliquant la production d'énormes quantités d'un produit chimique, en économisant d'énormes quantités d'énergie et d'argent, ainsi que la réduction des déchets. Le même principe pourrait également trouver une application dans la synthèse de nouvelles, médicaments salvateurs.

La durée de cette phase de transition est brève, aussi court que des quadrillions de seconde. Le problème a été qu'il n'a pas été possible d'observer expérimentalement la structure de cet état fugace ou même d'extraire des détails suffisants à son sujet indirectement à partir des produits chimiques créés par celui-ci, jusqu'à maintenant.

"Les physiciens ne peuvent pas observer directement le Big Bang, qui s'est passé il y a près de 14 milliards d'années, ou l'état de transition qui a conduit à la formation de notre univers, " expliqua Prozument. " Mais ils peuvent mesurer divers messagers restants du Big Bang, comme la distribution actuelle de la matière, et ainsi découvrir beaucoup de choses sur l'origine et l'évolution de notre univers. Un principe similaire vaut pour les chimistes qui étudient les réactions."

Au cœur de cette réalisation se trouve la technique expérimentale de l'équipe, spectroscopie à ondes millimétriques à impulsions chirpées, qui permet la caractérisation de plusieurs états de transition concurrents sur la base des molécules excitées vibratoirement qui résultent immédiatement après une réaction. Cette technique est inégalée dans sa précision pour déterminer la structure moléculaire et résoudre les transitions qui proviennent de différents niveaux d'énergie vibratoire des molécules du produit.

De nombreuses mains ont contribué au raffinement de cette technique expérimentale pour étendre sa portée du micro-onde au millimètre, dont Prozument et Robert Field, le professeur de chimie Robert T. Haslam et Bradley Dewey au MIT et l'auteur principal de l'étude.

Avec cette technique puissante, l'équipe a analysé la réaction entre le cyanure de vinyle et la lumière ultraviolette produite par un laser spécial, qui forme divers produits contenant de l'hydrogène, carbone et azote. Ils ont pu mesurer les énergies vibrationnelles associées aux molécules de produit nouvellement formées et les fractions de molécules à divers niveaux de vibration. Le premier indique les amplitudes dont les atomes d'une molécule se déplacent les uns par rapport aux autres. Ce dernier fournit des informations sur la géométrie des groupes d'atomes à l'état de transition lorsqu'ils donnent naissance à une molécule de produit - dans ce cas, l'étendue de l'excitation de flexion dans l'angle de liaison entre l'hydrogène, atomes de carbone et d'azote. Sur la base de leurs mesures, l'équipe a identifié deux états de transition qui régissent différentes voies par lesquelles la molécule de cyanure d'hydrogène (HCN) prend vie à partir de la réaction.

"Notre travail démontre que la technique expérimentale fonctionne en principe, " dit Prozument. " La prochaine étape sera de l'appliquer à des réactions plus complexes et à des molécules différentes. " Les travaux de l'équipe pourraient ainsi un jour avoir un impact majeur dans le domaine de la chimie.

L'article intitulé « États de transition de photodissociation caractérisés par la spectroscopie d'ondes millimétriques à impulsions chirpées » est paru dans le 7 janvier. numéro 2020 du Actes de l'Académie nationale des sciences .