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L’observation d’une réaction chimique au niveau moléculaire en temps réel est un thème central de la chimie physique expérimentale. Une équipe de recherche internationale a capté des fragments moléculaires déambulant pour la première fois – un véritable « road movie » moléculaire ! Les travaux, sous la supervision de Heide Ibrahim, associée de recherche à l’Institut national de la recherche scientifique (INRS), viennent de paraître dans le prestigieux journal Science.
Le groupe de recherche du Centre Énergie Matériaux et Télécommunications de l’INRS, avec le soutien du professeur François Légaré, a utilisé le Laboratoire de sources femtosecondes (ALLS), où il a réussi à tourner le premier film moléculaire de « roamers » (fragments itinérants d’hydrogène qui, dans ce cas, orbitent autour du fragment HCO) lors d’une réaction chimique, en étudiant la photodissociation du formaldéhyde (H2CO).
Un « 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. 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, explique 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.
Ce n’est que récemment que l’équipe a pu les capter « le long de la route » en temps réel, pour poursuivre l’analogie. Il s’agit de la première observation directe de l’insaisissable phénomène d’itinérance observé à ce jour. « Pour faire une analogie, 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 ! », poursuit la chercheuse.
Cartographier les fragments
Outre ce chemin d’itinérance, 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. Les fragments peuvent atteindre 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. Comme si le trajet se faisait sans GPS et que nous ne pouvions pas le retracer », souligne Heide Ibrahim. Pour remédier à la situation, l’équipe a trouvé un moyen d’identifier le chemin suivi par les fragments en plaçant des points de contrôle tout au long du parcours, qui 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.
L’un des nombreux défis lors des expériences était lié au fait que le signal de ces molécules au parcours indéfini se produit de manière statistique. Dans ce cas-ci, pour ajouter à la difficulté, le signal expérimental est ultrarapide (à l’échelle de 100 femtosecondes, soit dix milliards de fois moins qu’une milliseconde) et s’étend en même temps sur plusieurs ordres de grandeur dans le temps. Tomoyuki Endo, premier auteur de l’étude, ancien postdoctorant de l’INRS maintenant au Kansai Photon Science Institute, au Japon, a réussi à suivre les « roamers » grâce à une technique appelée Coulomb Explosion Imaging (CEI) ou imagerie par explosion coulombienne à résolution temporelle.
Les équipes de Michael Schuurman (chimiste quantique au Conseil national de recherches Canada), de Paul Houston (Université Cornell, Ithaca, États-Unis) et de Joel Bowman (Université Emory, Atlanta, États-Unis) ont apporté un soutien théorique de haut niveau à toutes les étapes expérimentales critiques.
« Les résultats obtenus démontrent que la CEI résolue dans le temps peut aller au-delà de l’imagerie de la dynamique moléculaire cohérente — ici, nous suivons des processus statistiques en utilisant des lasers ultrarapides de table conventionnels, souligne le professeur François Légaré, directeur du laboratoire ALLS où les expériences ont eu lieu. Dans un avenir proche, grâce aux progrès des systèmes laser à haute cadence de répétition, il sera possible d’étudier des molécules plus complexes. »
« 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, conclut 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. »
Pour en savoir plus sur les recherches de Heide Ibrahim : « Capture de fragments moléculaires itinérants en temps réel »
À propos de l’article
Sous le titre « Capturing roaming molecular fragments in real time », l’article a été publié dans la revue Science le 27 novembre 2020. Tomoyuki Endo, Simon P. Neville, Vincent Wanie, Samuel Beaulieu, Chen Qu, Jude Deschamps, Philippe Lassonde, Bruno E. Schmidt, Hikaru Fujise, Mizuho Fushitani, Akiyoshi Hishikawa, Paul L. Houston, Joel M. Bowman, Michael Schuurman, François Légaré et Heide Ibrahim ont participé à l’étude.
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