La première étape de nombreuses réactions chimiques induites par la lumière, comme ceux qui alimentent la photosynthèse et la vision humaine, est un changement dans la disposition des électrons d'une molécule lorsqu'ils absorbent l'énergie de la lumière. Ce subtil réarrangement ouvre la voie à tout ce qui suit et détermine le déroulement de la réaction.

Maintenant, les scientifiques ont vu ce premier pas directement pour la première fois, observer comment le nuage d'électrons de la molécule gonfle avant que l'un des noyaux atomiques de la molécule ne réponde.

Bien que cette réponse ait été prédite théoriquement et détectée indirectement, c'est la première fois qu'il est directement imagé avec des rayons X dans un processus connu sous le nom de réalisation de films moléculaires, dont le but ultime est d'observer comment les électrons et les noyaux agissent en temps réel lorsque des liaisons chimiques se forment ou se brisent.

Des chercheurs de l'Université Brown, l'Université d'Édimbourg et le SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie ont fait part de leurs conclusions dans Communication Nature aujourd'hui.

"Dans les films moléculaires passés, nous avons pu voir comment les noyaux atomiques se déplacent lors d'une réaction chimique, " a déclaré Peter Weber, professeur de chimie à Brown et auteur principal du rapport. "Mais la liaison chimique elle-même, qui est le résultat de la redistribution des électrons, était invisible. Maintenant, la porte est ouverte pour regarder les liaisons chimiques changer au cours des réactions."

Un modèle pour des réactions biologiques importantes

C'était le dernier d'une série de films moléculaires mettant en vedette 1, 3-cyclohexadiène, ou CHD, une molécule en forme d'anneau dérivée de l'huile de pin. Dans un gaz à basse pression, ses molécules flottent librement et sont faciles à étudier, et il sert de modèle important pour des réactions biologiques plus complexes comme celle qui produit de la vitamine D lorsque la lumière du soleil frappe votre peau.

Dans des études remontant à près de 20 ans, les scientifiques ont étudié comment l'anneau du CHD se brise lorsque la lumière le frappe, d'abord avec des techniques de diffraction des électrons, et plus récemment avec la "caméra électronique" du SLAC, " MeV-UED, et laser à rayons X à électrons libres, la source de lumière cohérente Linac (LCLS). Ces études et d'autres à travers le monde ont révélé comment la réaction se déroule dans des détails de plus en plus fins.

Il y a quatre ans, chercheurs de Brown, Le SLAC et Edimbourg ont utilisé LCLS pour réaliser un film moléculaire de l'anneau CHD s'envolant, - le tout premier film moléculaire enregistré à l'aide de rayons X. Cette réalisation a été répertoriée comme l'une des 75 percées scientifiques les plus importantes d'un laboratoire national du DOE, aux côtés de découvertes telles que le décodage de l'ADN et la détection des neutrinos.

Mais aucune de ces expériences précédentes n'a pu observer l'étape initiale de brassage des électrons, car il n'y avait aucun moyen de le distinguer des mouvements beaucoup plus importants des noyaux atomiques de la molécule.

Les électrons à l'honneur

Pour cette étude, une équipe expérimentale dirigée par Weber a adopté une approche légèrement différente :ils ont frappé des échantillons de gaz CHD avec une longueur d'onde de lumière laser qui a excité les molécules dans un état qui dure relativement longtemps :200 femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde, de sorte que leur structure électronique pourrait être sondée avec des impulsions laser à rayons X LCLS.

"La diffusion des rayons X est utilisée pour déterminer la structure de la matière depuis plus de 100 ans, " dit Adam Kirrander, maître de conférences à Édimbourg et co-auteur principal de l'étude, "mais c'est la première fois que la structure électronique d'un état excité est directement observée."

La technique utilisée, appelée diffusion des rayons X non résonante, mesure la disposition des électrons dans un échantillon, et l'équipe espérait capturer les changements dans la distribution des électrons à mesure que la molécule absorbait la lumière. Leur mesure a confirmé cette attente :alors que le signal des électrons était faible, les chercheurs ont pu capturer sans ambiguïté comment le nuage d'électrons s'est déformé en un plus grand, nuage plus diffus correspondant à un état électronique excité.

Il était essentiel d'observer ces changements électroniques avant que les noyaux ne commencent à bouger.

« Dans une réaction chimique, les noyaux atomiques bougent et il est difficile de démêler ce signal des autres parties qui appartiennent à la formation ou à la rupture de liaisons chimiques, " dit Haiwang Yong, un doctorat étudiant à l'Université Brown et auteur principal du rapport. "Dans cette étude, le changement dans les positions des noyaux atomiques est relativement faible sur cette échelle de temps, nous avons donc pu voir les mouvements des électrons juste après que la molécule ait absorbé la lumière."

Michael Minitti, scientifique senior du SLAC, a ajouté :"Nous imaginons ces électrons lorsqu'ils se déplacent et se déplacent. Cela ouvre la voie à l'observation directe et en temps réel des mouvements des électrons dans et autour de la rupture et de la formation des liaisons ; en ce sens, c'est similaire à la photographie."