Les photocatalyseurs - des matériaux qui déclenchent des réactions chimiques lorsqu'ils sont touchés par la lumière - sont importants dans un certain nombre de processus naturels et industriels, de la production d'hydrogène comme carburant à la photosynthèse.

Aujourd'hui, une équipe internationale a utilisé un laser à rayons X au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie pour obtenir un aperçu incroyablement détaillé de ce qui arrive à la structure d'un photocatalyseur modèle lorsqu'il absorbe la lumière.

Les chercheurs ont utilisé des impulsions laser extrêmement rapides pour observer le changement de structure et voir les molécules vibrer, sonnant "comme un ensemble de cloches, " dit l'auteur principal Kristoffer Haldrup, chercheur principal à l'Université technique du Danemark (DTU). Cette étude ouvre la voie à une enquête plus approfondie sur ces processus, ce qui pourrait aider à la conception de meilleurs catalyseurs pour séparer l'eau en hydrogène et en oxygène pour les technologies énergétiques de prochaine génération.

"Si nous pouvons comprendre de tels processus, alors nous pouvons appliquer cette compréhension au développement de systèmes moléculaires qui font des trucs comme ça avec une très grande efficacité, " dit Haldrup.

Les résultats publiés la semaine dernière dans Lettres d'examen physique .

Ensemble moléculaire

Le photocatalyseur à base de platine qu'ils ont étudié, appelé PtPOP, fait partie d'une classe de molécules qui cisaillent les atomes d'hydrogène de diverses molécules d'hydrocarbures lorsqu'elles sont frappées par la lumière, Haldrup dit :"C'est un banc d'essai - un terrain de jeu, si vous voulez – pour avoir étudié la photocatalyse en temps réel."

Au laser à rayons X du SLAC, la source de lumière cohérente Linac (LCLS), les chercheurs ont utilisé un laser optique pour exciter les molécules contenant du platine, puis ont utilisé des rayons X pour voir comment ces molécules modifiaient leur structure après avoir absorbé les photons visibles. Les impulsions laser à rayons X extrêmement courtes leur ont permis d'observer l'évolution de la structure, dit Haldrup.

Les chercheurs ont utilisé une astuce pour "geler" sélectivement certaines des molécules dans leur mouvement vibratoire, et a ensuite utilisé les impulsions de rayons X ultracourtes pour capturer comment l'ensemble des molécules a évolué dans le temps après avoir été frappé par la lumière. En prenant ces images à des moments différents, ils peuvent assembler les images individuelles comme un film en stop-motion. Cela leur a fourni des informations détaillées sur les molécules qui n'ont pas été touchées par la lumière laser, offrant un aperçu des changements ultrarapides qui se produisent dans les molécules lorsqu'elles sont à leur plus faible énergie.

Nager en harmonie

Avant même que la lumière n'atteigne les molécules, ils vibrent tous mais ne sont pas synchronisés les uns avec les autres. Kelly Gaffney, co-auteur de cet article et directeur de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource du SLAC, compare ce mouvement aux nageurs dans une piscine, marcher furieusement sur l'eau.

Lorsque le laser optique les frappe, certaines des molécules affectées par la lumière commencent à se déplacer à l'unisson et avec une plus grande intensité, passer de cette bande de roulement discordante à des coups synchronisés. Bien que ce phénomène ait déjà été observé, jusqu'à présent, il était difficile à quantifier.

"Cette recherche démontre clairement la capacité des rayons X à quantifier comment l'excitation modifie les molécules, " dit Gaffney. " Nous pouvons non seulement dire qu'il est excité vibratoirement, mais nous pouvons aussi le quantifier et dire quels atomes se déplacent et de combien. »

Chimie prédictive

Pour faire suite à cette étude, les chercheurs étudient comment les structures des molécules de PtPOP changent lorsqu'elles participent à des réactions chimiques. Ils espèrent également utiliser les informations qu'ils ont acquises dans cette étude pour étudier directement comment les liaisons chimiques sont créées et rompues dans des systèmes moléculaires similaires.

« Nous pouvons étudier les bases mêmes de la photochimie, à savoir comment l'excitation des électrons dans le système conduit à des changements très spécifiques dans la structure moléculaire globale, " dit Tim Brandt van Driel, un co-auteur de DTU qui est maintenant scientifique au LCLS. "Cela nous permet d'étudier comment l'énergie est stockée et libérée, ce qui est important pour comprendre les processus qui sont également au cœur de la photosynthèse et du système visuel."

Une meilleure compréhension de ces processus pourrait être essentielle pour concevoir de meilleurs matériaux et systèmes dotés de fonctions utiles.

"Une grande partie de la compréhension chimique est rationalisée après coup. Ce n'est pas du tout prédictif, " dit Gaffney. " Vous le voyez et ensuite vous expliquez pourquoi c'est arrivé. Nous essayons de déplacer la conception de matériaux chimiques utiles dans un espace plus prédictif, et cela nécessite une connaissance précise et détaillée de ce qui se passe dans les matériaux qui fonctionnent déjà."