Être capable de regarder comment les molécules se plient, s'étirer, se briser ou se transformer au cours de réactions chimiques nécessite des instruments et des techniques de pointe capables d'observer et de suivre tous les atomes d'une molécule avec une résolution spatiale et temporelle subatomique élevée.

Il y a environ 20 ans, les scientifiques ont eu l'idée d'utiliser les propres électrons de la molécule pour prendre des instantanés de la structure et visualiser la réaction moléculaire en temps réel. Une percée pour l'imagerie de molécules complexes a eu lieu en 2016 lorsque les chercheurs, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Jens Biegert, atteint la résolution spatiale et temporelle requise pour prendre des instantanés de la dynamique moléculaire sans manquer aucun événement, rapport sur l'imagerie de la rupture des liaisons moléculaires dans l'acétylène (C ² H ² ) dans Science .

Maintenant, le groupe de recherche est allé au-delà de sa découverte précédente et a franchi une autre étape importante. Dans une étude récente publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ), Les chercheurs de l'ICFO, le Dr Kasra Amini, Dr Michele Sclafani, Dr Tobias Steinle, Aurélien Sanchez, dirigé par ICREA Prof. à ICFO Dr. Jens Biegert, ont observé la flexion et l'étirement structurels du sulfure de carbone, composé moléculaire triatomique, CS 2 .

Pour observer ce phénomène, les chercheurs ont utilisé la diffraction électronique induite par laser, une technique de microscope électronique à l'échelle moléculaire qui capture des instantanés nets de la géométrie de la molécule avec un picomètre subatomique combiné (pm; 1 pm =10- ¹² m) et résolution spatio-temporelle attoseconde. Ils ont signalé que les modifications ultrarapides de la structure moléculaire sont entraînées par des changements dans la structure électronique de la molécule, régie par l'effet Renner-Teller. Cet effet est essentiel pour d'importantes molécules triatomiques telles que le sulfure de carbone, CS 2 , puisqu'il peut déterminer des réactions chimiques spécifiques dans l'atmosphère terrestre qui pourraient, par exemple, affecter les conditions climatiques.

Maintenant, pour la première fois, l'équipe a directement imagé cet effet dans son expérience, obtenir des instantanés en temps réel, voir la molécule s'étirer symétriquement et se plier dans une transition structurelle linéaire à pliée dans un délai d'environ 85 fs (huit cycles laser). Cela a été possible grâce à l'utilisation d'un microscope quantique de pointe composé de :(i) un infrarouge moyen de 3,1 µm d'intensité, système laser femtoseconde qui illumine un seul CS 2 molécule avec 160, 000 impulsions laser par seconde, et (ii) un spectromètre de microscope à réaction qui peut détecter simultanément la distribution tridimensionnelle complète de la quantité de mouvement des particules d'électrons et d'ions générées à partir de l'ionisation et de l'imagerie par recollision de sous-cycle d'une seule molécule isolée.

Pour confirmer leurs résultats expérimentaux, l'équipe a également effectué des simulations théoriques dynamiques quantiques de pointe, et vérifié la concordance entre les résultats théoriques et observationnels, confirmant que la transition linéaire-à-courbée ultrarapide est, En effet, activé par l'effet Renner-Teller. Les résultats représentent un grand pas en avant dans la compréhension des effets sous-jacents qui se produisent dans les systèmes dynamiques moléculaires.