Les ions sont partout, de notre environnement quotidien à l’étendue cosmique. Comme le sel de table commun (NaCl) se dissout dans le sodium (Na + ) et du chlorure (Cl - ) dans l'eau, cela donne un goût salé. Une fois absorbés par l'organisme, ces ions régulent l'influx nerveux et les mouvements musculaires.
Au soleil, le plasma, un rassemblement d'ions à l'état gazeux, subit des réactions de fusion nucléaire, transmettant de la lumière et de l'énergie à la Terre. L'une des utilisations les plus remarquables des ions dans la vie quotidienne se trouve dans les batteries lithium-ion, qui alimentent des appareils tels que les smartphones, les ordinateurs portables et les voitures électriques.
Par conséquent, les ions jouent un rôle central dans diverses facettes de nos vies, et la compréhension des processus complexes, des attributs structurels et de la dynamique des ions reste cruciale pour les progrès scientifiques et technologiques. Cependant, capturer les moments éphémères de la formation des ions et leurs transitions structurelles moléculaires, en particulier en phase gazeuse, s'est avéré difficile en raison de la complexité expérimentale.
Dirigés par le directeur Ihee Hyotcherl, des chercheurs du Center for Advanced Reaction Dynamics (CARD) de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) ont réussi à capturer en temps réel le processus d'ionisation et les changements structurels ultérieurs dans les molécules en phase gazeuse grâce à un méga- Technique de diffraction électronique ultrarapide électron-volt (MeV-UED), permettant l'observation de mouvements d'ions plus rapides et plus fins.
L'équipe du directeur Ihee a depuis longtemps franchi des étapes révolutionnaires dans la dynamique moléculaire, telles que la rupture des liaisons moléculaires, l'initiation de la naissance moléculaire par liaison chimique et l'exploration en profondeur des structures moléculaires au niveau atomique dans l'ensemble d'un réaction chimique. Pour la première fois, ils ont réussi à effectuer des observations en temps réel de la formation et de l'évolution structurelle des ions en phase gazeuse.
Pour atteindre cet objectif, l'équipe s'est concentrée sur les cations du 1,3-dibromopropane (DBP). Les données expérimentales ont dévoilé un phénomène fascinant :le cation a persisté dans un état structurellement stable appelé « état sombre » pendant environ 3,6 picosecondes (1 picoseconde équivaut à un billionième de seconde) après sa formation.
Cette nouvelle recherche est publiée dans la revue Nature .
Par la suite, le cation a subi une transformation en un intermédiaire inhabituel avec une structure cyclique englobant quatre atomes, dont un atome de brome faiblement lié. Finalement, l'atome de brome faiblement attaché s'est désengagé, donnant naissance à un ion bromonium caractérisé par une structure cyclique comprenant trois atomes.
Compte tenu de la grande réactivité des ions, l’observation de leur existence constitue depuis longtemps un défi de taille. Le succès de cette recherche reposait sur l'incorporation d'une nouvelle technologie de traitement du signal et d'une technique d'analyse de modélisation des changements structurels. Un autre élément important a été l'application de la technique d'ionisation multiphotonique améliorée par résonance (REMPI), qui a facilité la production massive d'ions spécifiques tout en empêchant la dissociation aléatoire des composés.
Les résultats expérimentaux ont indiqué que les ions gazeux générés conservaient une forme spécifique avant de subir des transformations soudaines, ce qui a permis à l'équipe IBS d'élucider la formation de molécules en forme d'anneau chimiquement stables.
Ensuite, en tirant parti de la technique innovante de diffraction électronique ultrarapide méga-électron-volt (MeV-UED), l’équipe de recherche a réussi à capturer avec précision les changements structurels subtils des ions dans la phase gazeuse. Cette technologie de pointe offrait la résolution spatiale et temporelle haute résolution requise pour les besoins de cette recherche, et elle permettait le suivi méticuleux de l'ensemble du processus depuis le moment de la génération des ions jusqu'aux transformations structurelles ultérieures.
Étant la première à permettre l'observation en temps réel des changements structurels dans les ions générés de manière sélective, cette étude est saluée comme une avancée majeure dans la recherche en chimie ionique. Cette recherche représente une réalisation révolutionnaire dans la communauté scientifique, marquant le premier exemple d'observation en temps réel de la dynamique structurelle des ions moléculaires.
En faisant progresser notre compréhension des ions en phase gazeuse, cette recherche ouvre de nouvelles perspectives dans divers domaines, notamment les mécanismes des réactions chimiques, les altérations des propriétés des matériaux et le domaine de l'astrochimie. L'impact attendu s'étend bien au-delà de la chimie ionique, influençant diverses disciplines scientifiques et technologiques.
Le Dr Heo Jun, l'auteur principal, a déclaré :"Cette découverte représente une avancée cruciale dans notre compréhension fondamentale de la chimie des ions, sur le point d'influencer profondément la conception de diverses réactions chimiques et l'exploration future en astrochimie."
Kim Doyeong, le premier auteur et étudiant, a partagé ses aspirations et a déclaré :« Contribuer à une étude ayant le potentiel de jeter les bases des progrès de la science fondamentale est vraiment gratifiant. Je m'engage à poursuivre les efforts de recherche persistants pour devenir un scientifique compétent. ."
Le professeur Hyotcherl a déclaré :"Malgré les progrès remarquables de la science et de la technologie, de nombreux mystères captivants demeurent dans le monde matériel. Cette recherche, bien que dévoilant une énigme de plus sur des ions jusqu'alors inconnus, souligne les profonds secrets qui attendent notre exploration."
Plus d'informations : Hyotcherl Ihee, Capturer la génération et les transformations structurelles des ions moléculaires, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-023-06909-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06909-5
Fourni par l'Institut des sciences fondamentales
