Solvatation atome par atome enregistrée pour la première fois

**une** , Point de départ des mesures :une nanogouttelette d'He dopée par un atome de Xe à l'intérieur et un atome de Na en surface. b , La gouttelette He immédiatement après l'impulsion de la pompe femtoseconde, arrivant au temps t = 0, a créé un Na⁺ ion par ionisation de l'atome de Na, et a ainsi initié le processus de solvatation ionique. c , Les atomes He sont attirés par le Na⁺ ion, et se lier progressivement. d , L'impulsion de la sonde ionise l'atome Xe au temps t . e , La force électrostatique répulsive entre Xe⁺ et Na⁺ conduit à l'éjection de cette dernière de la gouttelette ainsi que du nombre d'atomes de He liés à Na⁺ . Ici N = 7 est utilisé à titre d’exemple. e , Il existe deux résultats alternatifs du système :le Na⁺ Il₇ le complexe a une énergie interne suffisamment faible pour rester lié (à gauche) ou le Na⁺ Il₇ Le complexe a tellement d’énergie interne qu’il perd un atome de He après avoir quitté la gouttelette (à droite). Le Na⁺ résultant Il₇ ou Na⁺ Il₆ Le complexe est dirigé vers un détecteur et fournit des informations sur le degré de solvatation au temps t . Crédit :*Nature* (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06593-5

Une équipe de chimistes et de physiciens de l'Université d'Aarhus, au Danemark, travaillant avec un collègue de l'Université de Barcelone, en Espagne, a enregistré pour la première fois la solvatation atome par atome. Dans leur étude, publiée dans la revue Nature , le groupe a conçu un processus pour manipuler les atomes de sodium et de xénon avec une gouttelette d'hélium à des températures très froides afin de capturer ce qu'ils décrivent comme des instantanés du processus de solvatation au fil du temps. Combinés, ceux-ci produisent un film décrivant l’action. Un résumé de recherche sur les travaux a été publié dans le même numéro de revue.

La solvatation est la dissolution d'un soluté dans un solvant, par exemple lorsque le sel se dissout dans l'eau. L’action ne s’arrête pas simplement parce que le soluté s’est dissous; au lieu de cela, les solvants continuent d'interagir avec le matériau qui a été dissous.

Des recherches antérieures ont montré que de telles interactions peuvent être assez compliquées, c'est pourquoi les chimistes veulent en savoir plus sur ce qui se passe. Une façon de le savoir serait de filmer l’action et de la jouer comme un film. Ce concept simple s'est toutefois révélé exceptionnellement difficile, si difficile qu'il n'a été réalisé que récemment par l'équipe danoise.

Pour réaliser leur exploit, les chercheurs ont commencé par piéger un seul atome de xénon dans une gouttelette d'hélium liquide refroidie à -255°C, puis en ajoutant un seul atome de sodium sur le bord extérieur de la goutte. Ils ont tiré une courte impulsion d'un laser sur l'atome de sodium pour le convertir en un ion chargé positivement, déclenchant ainsi la solvatation :les atomes d'hélium ont commencé à adhérer à l'ion sodium.

Simulation TDDFT du Na⁺ processus de solvatation ionique. Vidéo de gauche :évolution temporelle de la densité He dans un plan de symétrie. Le point rouge représente le Na⁺ ion. Vidéo de droite :la ligne noire continue montre le profil de densité de gouttelettes moyenné sphériquement autour de l'ion (axe vertical gauche). La ligne pointillée rouge montre le nombre d'atomes d'He en fonction de la distance à l'ion (axe vertical droit). Crédit :Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06593-5

L’équipe a ensuite tiré une autre impulsion laser, cette fois sur l’atome de xénon, le transformant en un ion chargé positivement. Les deux ions se sont repoussés à un point tel que l'ion sodium, avec ses atomes d'hélium attachés, a été poussé hors de la gouttelette et sur un détecteur, ce qui a permis de capturer un instantané de ce qui se passait.

Les chercheurs ont ensuite répété le processus, en attendant chaque fois plus longtemps pour déclencher la deuxième impulsion. Ils ont pu créer ce qu’ils décrivent comme des instantanés progressifs de l’action. Ensuite, une fois qu'ils ont obtenu plusieurs instantanés séquentiels, ils les ont assemblés pour créer un film décrivant le processus de résolution en action.

Plus d'informations : Simon H. Albrechtsen et al, Observation des principales étapes de la solvatation des ions dans les gouttelettes d'hélium, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06593-5

Les gouttelettes d'hélium aident à visualiser le début de la solvatation des ions, Nature (2023). DOI :10.1038/d41586-023-02950-6

Informations sur le journal : Nature