En 1999, Ahmed Zewail a reçu le prix Nobel de chimie pour ses études sur les réactions chimiques en utilisant des impulsions laser ultracourtes.
Il a pu observer le mouvement des atomes et ainsi visualiser des états de transition sur le plan moléculaire. Regarder la dynamique des électrons a toujours été considéré comme un rêve à cette époque. Grâce à la dernière évolution de la technologie laser, d’intenses recherches dans le domaine de la spectroscopie attoseconde (1 attoseconde = 10-18 s) se sont développées rapidement. Pour la première fois, le professeur Hans Jakob Wörner du Laboratoire de chimie et de physique à l’EPF de Zurich, en collaboration avec des scientifiques canadiens et français, a été en mesure d’enregistrer le mouvement électronique pendant une réaction chimique complète. L’expérience est décrite dans le dernier numéro de la Science .
L’équipe de recherche a irradié des molécules de dioxyde d’azote (NO2) avec une impulsion de rayons ultraviolets très courte. Par conséquent, la molécule absorbe l’énergie de l’impulsion qui définit les électrons en mouvement. Les électrons commencent à se réorganiser, ce qui provoque un nuage d’électrons qui oscille entre 2 formes différentes pendant un temps très court, avant que la molécule ne commence à vibrer et à se décomposer finalement en oxyde nitrique et un atome d’oxygène.
Des intersections coniques
Le dioxyde d’azote a un caractère de modèle quant à la compréhension du mouvement électronique. Dans la molécule NO2, deux états des électrons peuvent avoir la même énergie pour une géométrie particulière – souvent décrite comme l’intersection conique. Cette dernière joue un rôle très important à la fois dans la photochimie et dans les procédés chimiques naturelles induites par la lumière. L’intersection conique fonctionne comme un commutateur DIP. Par exemple, si la rétine d’un oeil humain est irradié par la lumière, les électrons commencer à bouger, et les molécules de la rétine changent leur forme, convertissant au final les informations de la lumière en signaux électriques à destination du cerveau humain. L’aspect spécifique au sujet des intersections coniques, demeurent que le mouvement des électrons est transféré à celui des atomes d’une manière très efficace.
L’instantané d’un électron
Dans un article précédent, Hans Jakob Wörner a déjà publié la manière dont la spectroscopie attoseconde peut être utilisé pour regarder le mouvement des électrons. L’impulsion ultraviolette d’abord faible fixe les électrons en mouvement. La seconde impulsion forte à infrarouge supprime alors un électron de la molécule, l’accélèrant et la ramènant à la molécule. En conséquence, une impulsion lumineuse d’une attoseconde est émise, ce qui porte un instantané de la distribution des électrons dans la molécule. Wörner illustre le principe de la spectroscopie attoseconde : « L’expérience peut être comparée à un photographe, qui, par exemple, immortalise une balle tirée à travers une pomme. La balle serait trop rapide pour l’obturateur d’un appareil photo, et le résultat serait une image floue. Par conséquent, l’obturateur reste ouvert et l’image est illuminée avec des éclairs de lumière, qui restent plus rapides que la balle. Voilà comment nous obtenons notre capture. »
De l’expérience aux cellules solaires
Lorsque l’électron revient à la molécule, il libère l’énergie sous forme de lumière. Dans l’expérience, Wörner et ses collègues ont mesuré la lumière des électrons et ont donc été en mesure de déduire des informations détaillées sur la distribution des électrons et de son évolution dans le temps. Cette information révèle les détails de mécanismes de réaction chimique qui étaient jusque là inaccessibles à la plupart des techniques expérimentales. L’expérience sur le NO2 permet de mieux comprendre les processus fondamentaux dans les molécules et constitue une extension idéale aux simulations informatiques des processus photochimiques : « Ce qui rend notre expérience si importante est qu’il vérifie les modèles théoriques », a affirmé M. Wörner. L’immense intérêt dans les processus photochimiques n’est pas surprenant, car ce domaine de recherche vise à améliorer les cellules solaires et à rendre possible la photosynthèse artificielle.
