Cristallographie: la diffraction des électrons localise les atomes d'hydrogène

Publié par Adrien le 16/01/2017 à 00:00
Source: CNRS
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Les méthodes d'analyse par diffraction sont très utilisées dans les laboratoires, mais elles peinent à étudier des échantillons de taille inférieure au micromètre. Des chercheurs du Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CNRS/Ensicaen/Unicaen), du Laboratoire catalyse (La catalyse est l'action d'une substance appelée catalyseur sur une transformation chimique...) et spectrochimie (CNRS/Ensicaen/Unicaen) (1) et de l'Académie des Sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche...) de République Tchèque sont pourtant parvenus à utiliser la diffraction des électrons (La diffraction des électrons est une technique utilisée pour l'étude de la...) pour révéler la structure de cristaux nanométriques (2). Leur méthode est si sensible qu'elle localise même, pour la première fois, la position des atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), primordiale pour accéder à la morphologie des molécules ou à la taille des cavités dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) poreux. Ces travaux, publiés le 13 janvier 2017, font la couverture de la revue Science.


Représentation de la structure d'un aluminophosphate de cobalt superposée à la carte montrant les maxima (en jaune) associés aux positions d'hydrogène après analyse des données de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) des électrons.
© P. Boullay – CRISMAT (CNRS/Ensicaen /Unicaen).

La diffraction des rayons X ou des neutrons permet d'obtenir la structure atomique des solides cristallins, essentielle à la compréhension des propriétés de la matière, des mécanismes réactionnels ou du monde du vivant. La technique nécessite cependant des cristaux de l'ordre du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) pour les rayons X et du millimètre pour les neutrons. La diffraction des électrons rend possible l'étude d'échantillons nanométriques, grâce à la forte interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec la matière de ces particules chargées. Revers de la médaille, des diffractions multiples se produisent et dégradent la qualité des résultats obtenus. En effet, dans le cadre de la théorie dite cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le...) de la diffraction, on suppose que les particules diffractées ne subissent qu'un seul évènement de diffraction. Une approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) qui simplifie considérablement les analyses pour les rayons X et les neutrons, mais ne fonctionne pas pour les électrons. Il faut alors utiliser la théorie dite dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) qui prend en compte le fait que les électrons peuvent être diffractés plusieurs fois avant d'être libérés. Elle demande en retour un traitement spécifique, une analyse longue et complexe.

Grâce à une nouvelle application de la théorie dynamique à l'analyse de données de diffraction des électrons, les structures d'un composé organique (Un composé chimique est dit organique lorsqu'il renferme au moins un atome de carbone...), le paracétamol (Le paracétamol, aussi appelé acétaminophène, est la substance active de...), et d'un composé inorganique, un aluminophosphate de cobalt, ont pu être déterminées. La sensibilité remarquable de cette méthode permet de révéler jusqu'à la position des atomes les plus légers, ceux d'hydrogène. Leur position est primordiale pour accéder à la morphologie des molécules organiques, aux interactions faibles dans la matière, ou à la taille des cavités dans les matériaux inorganiques poreux. Les structures des nombreux composés ne formant que de très petits cristaux pourront maintenant être déterminées, y compris avec les positions des atomes d'hydrogène. Ces travaux ouvrent la voie à une large utilisation de la diffraction des électrons pour déterminer la structure de ces cristaux inaccessible par diffraction des rayons X et des neutrons.

Notes:

(1) A l'origine de ce travail se trouve un projet de recherche financé par le Labex normand EMC3. C'est dans ce cadre que les chercheurs du CRISMAT (P. Boullay, O. Pérez et S. Petit), du LCS (S. Mintova et M. Zaarour) et L. Palatinus de l'Académie (Une académie est une assemblée de gens de lettres, de savants et/ou d'artistes reconnus par leurs...) des Sciences de République Tchèque ont synthétisés puis résolus la structure de l'aluminophophate de cobalt.
(2) 1 micromètre (µm) = 10^-6 mètre (soit un millionième de mètre) et 1 nanomètre (nm) = 10^-9mètre (soit un milliardième de mètre).
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