Dans une étape importante pour l'étude d'une classe de réactions chimiques pertinentes pour les nouvelles cellules solaires et les dispositifs de stockage de mémoire, une équipe internationale de chercheurs travaillant au laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie a utilisé un laser à rayons X pour observer la « respiration moléculaire » – des vagues de mouvements subtils d'entrée et de sortie des atomes – en temps réel et avec des détails sans précédent.

Ces ondulations de mouvement, vu avec la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, a permis à l'équipe d'étudier comment l'énergie est échangée entre la lumière et les électrons et conduit à la tension et éventuellement au mouvement des atomes dans une molécule à base de fer qui est un modèle pour transformer la lumière en énergie électrique et en minuscules aimants moléculaires commutables.

Dans un article publié en Communication Nature , l'équipe de recherche a déclaré que ces haute fidélité, les mesures en temps réel de la redistribution ultrarapide de l'énergie peuvent fournir des informations clés pour comprendre la fonction de nombreux produits chimiques, phénomènes physiques et biologiques induits par la lumière.

"C'est un saut significatif dans la sensibilité des expériences qui nous permet désormais de voir plus de ce qui se passe, " dit Diling Zhu, scientifique du SLAC. "Nous zoomons sur les détails des molécules alors que nous obtenons une résolution de mieux en mieux dans l'espace et dans le temps."

La molécule qu'ils ont étudiée consiste en un atome de fer central attaché à trois structures à double anneau appelées bipyridines.

Pour le voir "respirer, " les scientifiques ont d'abord frappé la molécule avec une lumière laser et ont immédiatement suivi avec une impulsion laser à rayons X pour examiner tout changement qui s'est produit.

La lumière laser a excité un électron dans l'atome de fer central, qui a été transféré à l'une des structures bipyridine attachées. Lorsque l'électron est revenu à l'atome de fer 100 femtosecondes, ou des quadrillions de seconde, plus tard, il a renversé le magnétisme du fer. Cela a provoqué l'expansion de la molécule, déclenchant une oscillation semblable à un souffle à travers toute la structure.

Des mesures antérieures dans des expériences avec des lasers optiques avaient indirectement révélé ces mouvements, et on soupçonnait que la courbure des attaches bipyridines contribuait au mouvement moléculaire.

Mais cette expérience utilisant des signaux plus directs des rayons X a montré que cette explication était incorrecte. Avec chaque impulsion de rayons X d'une durée de seulement 50 femtosecondes, l'équipe a pu observer l'excitation électronique par la lumière et le processus respiratoire suivant à des intervalles beaucoup plus courts que jamais et obtenir une image plus complète en temps réel.

Les chercheurs espèrent que les connaissances acquises grâce à la respiration moléculaire les aideront à améliorer des technologies telles que les cellules solaires à colorant et le stockage en mémoire.

Les cellules solaires sensibilisées sont une future alternative prometteuse pour des appareils bon marché mais efficaces, mais leurs colorants absorbant la lumière contiennent souvent des métaux rares coûteux comme le ruthénium. Les scientifiques aimeraient plutôt utiliser des composés à base de fer moins chers, mais la commutation magnétique qui induit la respiration moléculaire arrête le flux de courant électrique à travers une cellule solaire.

"Nous voyons deux processus concurrents dans la molécule et leur relation avec la structure moléculaire. Avec cette information, nous pouvons trouver des moyens de modifier la structure moléculaire afin de favoriser le processus utilisable pour des applications techniques potentielles, " dit Henrik Lemke, anciennement chercheur au SLAC et maintenant à l'Institut Paul Scherrer du SwissFEL en Suisse. Lemke est l'auteur principal de l'étude, qui comprenait également des chercheurs de Suède, Danemark, Italie, et française, ainsi que du SLAC.

"Pour les autres applications, le commutateur est réellement souhaitable, afin que nous puissions créer un système de mémoire moléculaire, " Lemke ajoute. " Dans les dispositifs de stockage de mémoire, un processus réversible pourrait nous permettre d'écrire et de stocker des données avec le matériel."

L'expérience marque un pas en avant significatif dans la capacité de visualiser la dynamique moléculaire à l'instrument X-ray Pump Probe du LCLS, qui a été commandé pour la première fois en 2010. Pour générer des images plus nettes du mouvement moléculaire, les scientifiques du LCLS ont développé de nouvelles méthodes pour amener des échantillons sur le trajet du faisceau laser à rayons X, ainsi que des techniques spéciales d'analyse des données pour tenir compte des diverses fluctuations qui peuvent brouiller l'expérience.

Les améliorations signifient également que les chercheurs sont désormais en mesure de collecter des données de meilleure qualité en moins de temps. Les scientifiques du LCLS peuvent désormais acquérir en quelques minutes seulement des informations qui pouvaient prendre des semaines à collecter auparavant.