Au cours des dernières années, les scientifiques ont développé des outils incroyables – des « caméras » qui utilisent des rayons X ou des électrons au lieu de la lumière ordinaire ¬- pour prendre des instantanés à tir rapide de molécules en mouvement et les enchaîner dans des films moléculaires.



Maintenant, les scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du Department of Energy et de l’Université de Stanford ont ajouté une autre tournure :, ils ont déclenché des phénomènes totalement inattendus qui ont été capturés dans les films au ralenti ne durent que des billions de secondes.

Le premier film qu’ils ont réalisé avec cette approche, décrit le 17 mars dans Physical Review X, montre comment les deux atomes d’une molécule d’iode se balancent d’avant en arrière, comme s’ils étaient reliés par un ressort, et parfois se séparent lorsqu’ils sont frappés par une lumière laser intense. L’action a été capturée par le laser à électrons libres à rayons X durs Linac Coherent Light Source (LCLS) du laboratoire. Certaines des réponses des molécules étaient surprenantes et d’autres avaient été vues auparavant avec d’autres techniques, ont déclaré les chercheurs, mais jamais de manière aussi détaillée ou aussi directe, sans s’appuyer sur une connaissance préalable de ce à quoi elles devraient ressembler.



Des études préliminaires sur des molécules plus grosses qui contiennent une variété d’atomes suggèrent qu’elles peuvent également être filmées de cette façon, ont ajouté les chercheurs, apportant de nouvelles informations sur le comportement moléculaire et comblant une lacune où les méthodes précédentes ne fonctionnent pas.

« L’image que nous avons obtenue de cette façon était très riche », a déclaré Philip Bucksbaum, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur au Stanford PULSE Institute, qui a dirigé l’étude avec le scientifique postdoctoral PULSE Matthew Ware. « Les molécules nous ont donné suffisamment d’informations pour que vous puissiez réellement voir les atomes se déplacer sur des distances inférieures à un angström – ce qui correspond à la largeur de deux atomes d’hydrogène – en moins d’un billionième de seconde. Nous avons besoin d’une vitesse d’obturation très rapide. et une haute résolution pour voir ce niveau de détail, et pour l’instant ceux-ci ne sont possibles qu’avec un laser à électrons libres à rayons X comme le LCLS. « 

Les molécules d’iode sont un sujet de prédilection pour ce type d’enquête car elles sont simples – seulement deux atomes reliés par une liaison chimique élastique. Des études antérieures, par exemple avec la « caméra à électrons » du SLAC, ont sondé leur réponse à la lumière. Mais jusqu’à présent.

Dans cette étude. mais pas assez pour éliminer leurs électrons.

Chaque coup a été immédiatement suivi d’une impulsion laser à rayons X de LCLS, qui s’est dispersée sur les noyaux atomiques de l’iode et dans un détecteur pour enregistrer la réaction de la molécule. En variant la synchronisation entre la lumière et les impulsions de rayons X, les scientifiques ont créé une série d’instantanés qui ont été combinés en un film d’arrêt de la réponse de la molécule, avec des images à seulement 50 femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde, séparément.

qui peut virer dans des directions surprenantes. « Nous voulions regarder quelque chose de plus difficile, des choses que nous pourrions voir qui pourraient ne pas être ce que nous avions prévu », comme l’a dit Bucksbaum. Et c’est en fait ce qu’ils ont trouvé.

Des vibrations inattendues

Les résultats ont révélé que l’énergie de la lumière a déclenché des vibrations, comme prévu, les deux molécules d’iode s’approchant et s’éloignant rapidement l’une de l’autre. « C’est un très gros effet, et bien sûr nous l’avons vu », a déclaré Bucksbaum.

Mais un autre type de vibration, beaucoup plus faible, est également apparu dans les données, « un processus suffisamment faible pour que nous ne nous attendions pas à le voir », a-t-il déclaré. « Cela confirme le potentiel de découverte de cette technique. »

Ils ont également pu voir à quelle distance les atomes étaient éloignés et dans quelle direction ils se dirigeaient au tout début de chaque vibration – en comprimant ou en étendant le lien entre eux – ainsi que la durée de chaque type de vibration.

Dans seulement quelques pour cent des molécules, les impulsions lumineuses ont envoyé les atomes d’iode se séparer plutôt que vibrer, tirant dans des directions opposées à des vitesses rapides ou lentes. Comme pour les vibrations, des décollages rapides étaient attendus, mais pas lents.

Bucksbaum a déclaré qu’il s’attend à ce que les chimistes et les scientifiques des matériaux soient en mesure de faire bon usage de ces techniques. Pendant ce temps, son équipe et d’autres au laboratoire continueront de se concentrer sur le développement d’outils pour voir de plus en plus de choses se passer dans les molécules et comprendre comment elles se déplacent. « C’est l’objectif ici », a-t-il déclaré. pas les scénaristes, les producteurs ou les acteurs. La valeur de ce que nous faisons est de permettre à toutes ces autres choses de se produire, en travaillant en partenariat avec d’autres scientifiques. »