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Voir les orbitales moléculaires en 3D : une première historique

ActualitéClassé sous :physique , laser , femtoseconde

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Des scientifiques canadiens ont réussi à 'voir' la fonction d'onde mono-électronique (appelée aussi orbitale) d'une molécule. Cette première historique revient à David Villeneuve du National Research Council du Canada (NRC) à Ottawa et à ses collègues. Ils ont utilisé des lasers femtoseconde pour reconstruire la plus haute orbitale moléculaire occupée de molécules d'azote, celle qui porte les électrons déterminant les propriétés chimiques de cette molécule.

L'expérience

David Villeneuve et ses collègues du NRC, de l'Université d'Ottawa, du laboratoire INRS de Varennes et de la Japan Science and Technology Agency ont utilisé deux lasers pulsés pour visualiser la plus haute orbitale moléculaire occupée de molécules d'azote : le premier aligne les molécules dans une direction particulière et le second (d'une durée de 30 femtosecondes soit 30 x 10-15 secondes) enlève un électron la plus haute orbitale moléculaire occupée. Environ 1,3 femtosecondes plus tard, le champ électrique du second laser change de direction si bien que l'électron subit une accélération inverse, vers la molécule qu'il était en train de quitter et la heurte. Ceci provoque la libération d'un photon énergétique de type rayon X.

Un banc optique laser du NRC © http://www.femto.sims.nrc.ca/

Les résultats

En modifiant l'angle entre la molécule et le rayon laser puis en répétant l'expérience, les scientifiques ont pu construire une image 3D de l'orbitale moléculaire.
Ceci a également impliqué de développer un modèle mathématique reliant le spectre d'émission de rayons X à la forme de l'orbitale moléculaire, un modèle similaire à ceux utilisés dans la tomographie médicale.

Image laser du nuage électronique à 3 lobes (orbitale) de la molécule d'azote. Dans une même période optique (2,7 x 10-15 seconds) de l'impulsion laser, le champ électrique impose d'abord à l'électron de s'éloigner de la molécule d'azote, le long de la direction de polarisation (verticale ici), puis d'y revenir et de heurter la molécule. Le choc sonde la structure de l'orbitale et trace l'ombre orbitale sur le spectre des hautes harmoniques de la fréquence de laser. La forme tridimensionnelle de l'orbitale est reconstituée par tomographique à partir d'un grand nombre de mesures similaires mais effectuées à des angles différents autour de la molécule. © Nature

Les images étant enregistrées en environ 30 femtoseconds seulement, le procédé devrait permettre d'étudier également des processus moléculaires simples tels que la dissociation et de visualiser le changement d'orbitale lorsque la molécule se divise. Cela permettrait alors de mieux comprendre comment se font et se défont les liaisons moléculaires lors de réactions chimiques.
Et pourquoi ne pas en arriver à observer le mouvement des électrons à leur échelle de temps (10-18 secondes) avec une technique similaire ?

Pour mieux comprendre cette "Actu"

La plupart des techniques utilisées pour étudier la structure moléculaire, comme la diffraction de rayons X ou la diffusion électronique, mesurent la distribution électronique totale.

La tomographie consiste à prendre des images plan par plan d'un objet tridimensionnel. L'image globale est ensuite reconstruite par calcul, sur ordinateur.

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