Mouvements d'électrons dans un liquide mesurés au super ralenti

Pour comprendre comment les réactions chimiques commencent, les chimistes étudient depuis des années les tout premiers instants d'une réaction à l'aide d'expériences au super ralenti. Il est désormais possible d'effectuer des mesures avec une résolution de quelques dizaines d'attosecondes. Une attoseconde est le 10¹⁸-ième partie d'une seconde, soit un millionième de millionième de millionième de seconde.

"Dans ces premières douzaines d'attosecondes d'une réaction, on peut déjà observer comment les électrons se déplacent au sein des molécules", explique Hans Jakob Wörner, professeur au Laboratoire de chimie physique de l'ETH Zurich. "Plus tard, au cours d'environ 10'000 attosecondes ou 10 femtosecondes, les réactions chimiques entraînent ensuite des mouvements des atomes jusqu'à la rupture des liaisons chimiques".

Il y a cinq ans, le professeur de l'ETH était l'un des premiers scientifiques à mettre en évidence des mouvements d'électrons à l'échelle de l'attoseconde dans des molécules. Toutefois, de telles mesures n'ont pu être effectuées jusqu'à présent que sur des molécules sous forme de gaz, car elles ont lieu dans une chambre à vide poussé.

Transport hors du liquide retardé

Grâce à la construction d'un nouvel appareil de mesure, Wörner et ses collaborateurs sont désormais parvenus à mettre en évidence de tels mouvements dans les liquides. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé la photoémission de l'eau, qui consiste à irradier les molécules d'eau avec de la lumière, ce qui a pour effet d'en éjecter des électrons. Ce sont ces électrons que les scientifiques peuvent mesurer. "Nous avons choisi ce processus pour notre étude parce qu'il est possible de le lancer avec une grande précision dans le temps grâce aux impulsions laser", explique Wörner.

Les nouvelles mesures ont également été effectuées sous un vide poussé. Wörner et son équipe ont utilisé pour cela un jet de liquide de 25 micromètres d'épaisseur qu'ils ont injecté dans la chambre de mesure. Les scientifiques ont ainsi pu mesurer que les électrons sont éjectés des molécules d'eau dans le liquide 50 à 70 attosecondes plus tard que dans les molécules d'eau sous forme de vapeur. Cette différence de temps s'explique par le fait que les molécules dans le liquide sont entourées d'autres molécules d'eau, ce qui a un effet de retard mesurable sur chaque molécule.

Une étape importante

"Les mouvements d'électrons sont les événements clés des réactions chimiques. C'est pourquoi il est si important de les mesurer à une échelle de temps à haute résolution", explique Wörner. "Le passage des mesures dans les gaz aux mesures dans les liquides est particulièrement important, car la plupart des réactions chimiques, et notamment les processus intéressants sur le plan biochimique, ont lieu dans les liquides".

Parmi ces derniers, il existe de nombreux processus qui, comme la photoémission de l'eau, sont également déclenchés par le rayonnement lumineux. La photosynthèse des plantes en fait partie, tout comme les processus biochimiques de notre rétine, qui nous permettent de voir, et les dommages causés à l'ADN par les rayons X ou d'autres rayonnements ionisants. Les mesures attosecondes devraient permettre aux scientifiques de mieux comprendre ces réactions dans les années à venir.