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Des fragments moléculaires en mouvement filmés pour la première fois

Illustration montrant des fragments itinérants d’hydrogène qui orbitent autour d’un fragment HCO lors d’une réaction chimique.

Les chercheurs ont réussi à tourner le premier film moléculaire de fragments itinérants d’hydrogène.

Photo : INRS

Radio-Canada

Une équipe internationale de scientifiques, supervisée par la chercheuse Heide Ibrahim de l'Institut national de la recherche scientifique du Québec (INRS), a réussi à filmer en temps réel des fragments moléculaires itinérants qui déambulent.

Depuis des années, l’observation d’une réaction chimique au niveau moléculaire en temps réel est un objectif des chercheurs en chimie physique expérimentale.

Concrètement, les chercheurs ont réussi, en étudiant la photodissociation du formaldéhyde (H2CO), à tourner le premier film moléculaire de fragments itinérants d’hydrogène qui, dans ce cas, orbitent autour d’un fragment HCO lors d’une réaction chimique.

Un véritable road trip moléculaire

Cette nouvelle découverte nous a permis de constater que, tout comme dans un road trip, la destination des fragments n’est pas connue au départ, et le chemin emprunté n’est pas toujours droit, expliquent les chercheurs dans un communiqué publié par l’INRS.

En général, les molécules, comme la voyageuse ou le voyageur du road trip, suivent le chemin le plus facile pour aller du point A au point B afin de minimiser l’énergie dépensée.

La chercheuse Heide Ibrahim

Pourtant, il arrive parfois que les fragments décident de faire un détour et de prolonger leur voyage.  Apparemment, il en va de même pour les fragments de molécules. Ce processus est appelé roaming (ou itinérance) et a été découvert pour la première fois dans des molécules de formaldéhyde en 2004. Depuis, des traces indirectes itinérantes ont été détectées dans de nombreux systèmes moléculaires, poursuit la chercheuse.

Pour poursuivre l’analogie, l’équipe a réussi à les capter le long de la route en temps réel.

Il s’agit de la première observation directe de l’insaisissable phénomène d’itinérance observé à ce jour, affirme la chercheuse dans le communiqué.

C’est comme si, à la suite de la découverte d’empreintes de dinosaures, on découvrait un film les montrant en train de se promener!

Heide Ibrahim

Sans GPS moléculaire

En plus du chemin emprunté, il y a également une dissociation conventionnelle où la molécule se fractionne en fragments lors de l’excitation par la lumière UV d’impulsions laser ultracourtes.

Ces fragments atteignent les mêmes produits finaux en suivant des chemins directs (dissociation) ou indirects (itinérance).

Pour réaliser ce travail, on ne peut pas simplement immobiliser le fragment à la ligne d’arrivée, car cela ne donne aucune information sur la dynamique qu’il a subie, explique Mme Ibrahim.

Comme si le trajet se faisait sans GPS et que nous ne pouvions pas le retracer.

Heide Ibrahim

Pour réussir à suivre les fragments, l’équipe a trouvé un moyen d’identifier le chemin suivi en plaçant des points de contrôle tout au long du parcours. Ces repères agissent un peu comme des tours cellulaires permettant d’activer un signal à un moment précis du parcours et de déclencher la capture d’image.

Le principal défi de cette expérience était lié au fait que le signal de ces molécules au parcours indéfini se produit de manière statistique. Dans ce cas-ci, le signal expérimental était ultrarapide (à l’échelle de 100 femtosecondes, soit 10 milliards de fois moins qu’une milliseconde) et s’étendait en même temps sur plusieurs ordres de grandeur dans le temps.

Pour réussir à suivre le processus d’itinérance, le chercheur Tomoyuki Endo, le premier auteur de l’étude et ancien postdoctorant de l’INRS, a eu recours à une technique appelée imagerie par explosion coulombienne à résolution temporelle (CEI).

Les résultats obtenus démontrent que la CEI résolue dans le temps peut aller au-delà de l’imagerie de la dynamique moléculaire cohérente, souligne le Pr François Légaré, directeur du laboratoire où les expériences ont eu lieu.

Dans ce cas, les chercheurs ont suivi les processus statistiques en utilisant des lasers ultrarapides de table conventionnels.

Dans un avenir proche, grâce aux progrès des systèmes laser à haute cadence de répétition, il sera possible d’étudier des molécules plus complexes, explique le Pr Légaré.

Bien que l’itinérance des fragments moléculaires soit un processus insaisissable et difficile à appréhender, cette avancée scientifique fournit une perspective sur la manière de la mesurer – ainsi que d’autres processus statistiques qui nécessitent une détection très sensible face à des signaux de fond fortement perturbateurs.

Heide Ibrahim

En fin de compte, ce n’est peut-être que le début d’un autre voyage tortueux vers certains des secrets de dame Nature; l’itinérance est un processus dont le rôle dans la chimie de l’environnement et de l’atmosphère n’est qu’au début de sa compréhension, conclut la chercheuse.

Le détail de cette percée est l’objet d’un article publié dans la revue Science (Nouvelle fenêtre) (en anglais).

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