Lors d'expériences avec le laser à rayons X à électrons libres du SLAC, les scientifiques ont éliminé des électrons d'une molécule connue sous le nom de DMP pour faire les premières observations détaillées sur la façon dont un processus appelé transfert de charge affecte sa structure moléculaire. Gauche :DMP est normalement symétrique. Centre :Lorsqu'une impulsion lumineuse fait sortir un électron de l'un de ses atomes d'azote (sphères bleues), il laisse un ion chargé positivement appelé centre de charge, représenté en rose. Cela crée un déséquilibre de charge qui déplace les positions des atomes. À droite :mais dans les trois billions de seconde, la charge se redistribue entre les deux atomes d'azote jusqu'à ce qu'elle s'égalise et que la molécule redevienne symétrique. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Lorsque la lumière frappe certaines molécules, il déloge les électrons qui se déplacent ensuite d'un endroit à un autre, créant des zones de charge positive et négative. Ce "transfert de charge" est très important dans de nombreux domaines de la chimie, dans les processus biologiques comme la photosynthèse et dans les technologies comme les dispositifs à semi-conducteurs et les cellules solaires.
Même si des théories ont été développées pour expliquer et prédire comment fonctionne le transfert de charge, elles n'ont été validées qu'indirectement en raison de la difficulté d'observer comment la structure d'une molécule répond aux mouvements de charge avec la résolution atomique requise et sur les échelles de temps ultrarapides requises.
Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de l'Université Brown, Le laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie et l'Université d'Édimbourg ont utilisé le laser à électrons libres à rayons X du SLAC pour effectuer les premières observations directes des structures moléculaires associées au transfert de charge dans les molécules de gaz frappées par la lumière.
Molécules de ce gaz, appelé N, N-diméthylpipérazine ou DMP, sont normalement symétriques, avec un atome d'azote à chaque extrémité. La lumière peut faire tomber un électron d'un atome d'azote, laissant un ion chargé positivement connu sous le nom de « centre de charge ».
Curieusement, ce processus est inégal; l'absorption de la lumière crée un centre de charge dans un seul des deux atomes d'azote, et ce déséquilibre de charge déforme l'échafaudage atomique de la molécule, ainsi les atomes se compensent en changeant de position les uns par rapport aux autres. Mais dans les trois trillionièmes de seconde, la charge se redistribue entre les deux atomes d'azote jusqu'à ce qu'elle s'égalise et que les molécules redeviennent symétriques, rapportent les chercheurs dans un article publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences aujourd'hui.
Leur étude est la première à observer directement comment la structure d'une molécule change à mesure que la charge est redistribuée, avec des liaisons chimiques de plus en plus longues et d'autres plus courtes, avant de finalement se détendre dans son état d'origine.
"Nous voyons les molécules briser la symétrie et reformer la symétrie, " a déclaré Peter Weber, un professeur de chimie à l'Université Brown dont le groupe de recherche a commencé à étudier le DMP il y a près d'une décennie. Il a dirigé l'étude avec Adam Kirrander de l'Université d'Édimbourg et Michael Minitti, scientifique senior du SLAC.
Des expériences de laser à rayons X à électrons libres au Laboratoire national des accélérateurs du SLAC ont donné aux scientifiques leur premier aperçu détaillé de la façon dont le transfert de charge - un processus très important dans toute la chimie - fonctionne dans des molécules appelées DMP, centre. Les molécules ont été frappées avec une impulsion lumineuse pour lancer le processus, suivi d'une impulsion laser à rayons X pour observer les changements résultants dans leur structure sur 3 billions de seconde. Les rayons X se dispersent sur les molécules individuelles et dans un détecteur, créer des motifs qui montrent des mouvements ultrarapides des atomes avec une résolution atomique. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Une réponse déséquilibrée
Les scientifiques du groupe de Weber, dont Xinxin Cheng—un doctorat. étudiant qui est maintenant un scientifique associé du SLAC, a découvert la réponse déséquilibrée de la molécule à la lumière il y a huit ans. Il s'est avéré que les atomes d'azote de la molécule sont juste à la bonne distance les uns des autres pour en faire un modèle idéal pour étudier le transfert de charge, une découverte qui a déclenché de nombreuses discussions parmi les théoriciens travaillant pour comprendre ces processus ainsi que des efforts pour les observer plus en détail.
Dans cette dernière étude, Haiwang Yong, un doctorat étudiant au laboratoire de Weber, travaillé avec des scientifiques du SLAC pour fournir une observation beaucoup plus directe de la réponse du DMP à la lumière. Ils frappent le gaz DMP avec des impulsions lumineuses suivies d'impulsions extrêmement brèves, impulsions laser à rayons X ultra-brillantes de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire. Les rayons X LCLS ont été diffusés sur les molécules d'une manière qui a révélé les positions des atomes individuels, les longueurs des liens entre eux et comment ils ont changé en seulement quelques billions de seconde.
"Il est fascinant de voir comment les rayons X peuvent résoudre les changements de structure moléculaire qui résultent du transfert de charge, " dit Kirrander.
Weber a déclaré que les résultats démontrent la valeur de la technique pour extraire des informations plus détaillées que dans les expériences précédentes. L'équipe de recherche a utilisé ces informations pour tester des modèles théoriques de la réponse des molécules, révélant des défauts dans l'approche conventionnelle connue sous le nom de théorie fonctionnelle de la densité. Weber a noté que les données semblent étayer les calculs théoriques détaillés de la façon dont ces transferts de charges ont lieu par Hannes Jonsson de l'Université d'Islande, qui n'a pas participé à cette étude.
Minitti, qui travaille sur le DMP avec le laboratoire Brown depuis le début et a participé à cette étude, a déclaré qu'il était difficile d'obtenir une compréhension théorique du fonctionnement de ces systèmes asymétriques parce que les données expérimentales sur eux étaient si rares et indirectes.
« Ce travail est une avancée significative, " il a dit, "nous donnant des informations critiques sur la façon dont la molécule réagit pendant le processus de transfert de charge. Une recherche comme celle-ci prend un village - nous avons besoin d'expériences pour éclairer la théorie, et vice versa, pour nous aider à visualiser cette chose."
Aller de l'avant, une forte augmentation du taux de répétition des impulsions de la source de rayons X LCLS est en cours, avec un bond de 120 impulsions par seconde à 1 million d'impulsions par seconde. Cela permettra aux chercheurs d'étudier des systèmes beaucoup plus complexes, informer le développement de nouvelles approches des technologies de production d'énergie solaire et de stockage d'énergie, parmi de nombreuses autres applications.
