La majeure partie de ce que l’on sait sur les liaisons chimiques provient de l’étude des molécules au repos. Mais lorsque les molécules absorbent la lumière, les atomes qui les composent se mettent à vibrer, ce qui modifie rapidement la forme de leurs liaisons chimiques. Cela peut considérablement modifier la façon dont les molécules réagissent entre elles.
Étudier la dynamique des atomes à ces échelles de temps ultrarapides s’est avéré difficile, mais ces dernières années, de nouvelles sources de rayons X ont ouvert de nouvelles possibilités. Au laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, en Californie, les scientifiques ont développé une technique innovante appelée spectroscopie hors résonance à haute résolution énergétique, ou HEROS.
Cela implique de faire passer des électrons de haute énergie synchronisés avec une impulsion laser à travers les molécules oscillantes, puis d'analyser la manière dont les électrons sont diffusés sous différents angles. Cela permet aux chercheurs d’observer directement l’évolution en temps réel de la longueur et des angles des liaisons chimiques de la molécule.
Dans une expérience de validation de principe, l’équipe a étudié les molécules de monoxyde de carbone frappées par une impulsion laser femtoseconde au SLAC. Les expériences ont mesuré, en temps réel, les changements en fonction du temps dans la longueur de la liaison carbone-oxygène après l'absorption de la lumière.
"Nous voulons comprendre comment l'énergie circule entre les différentes parties de la molécule", a déclaré Giulia Pinardi, chercheuse postdoctorale au SLAC et auteur principal d'une étude publiée dans Physical Review Letters le 17 décembre. "Si cela peut se produire dans un délai très court, sur une échelle de temps, cela peut influencer ce que la molécule finit par faire. »
Dans ce cas, le monoxyde de carbone vibre après absorption de la lumière, ce qui empêche la molécule de se dissocier en atomes libres de carbone et d'oxygène. En capturant ce mouvement en détail, l’équipe pourrait en apprendre beaucoup sur la façon dont les vibrations moléculaires affectent la réactivité chimique.
À l’avenir, l’équipe prévoit d’utiliser la technique HEROS pour sonder des mouvements moléculaires plus spécifiques. Ils souhaitent également suivre les réactions chimiques dans des molécules plus complexes qui pourraient être pertinentes pour la conception de nouveaux médicaments ou matériaux.
"HEROS ressemble essentiellement à la photographie stroboscopique", a déclaré le co-auteur Mike Minitti. "Nous pouvons prendre une série de clichés avec un laser à rayons X pour observer les mouvements au fur et à mesure de la réaction. C'est quelque chose de nouveau et c'est un témoignage du laser à rayons X."
