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Posté par Redbran le Mardi 20/06/2017 à 00:00
Diffusion d’électrons dans l’eau liquide
Diffusion des électrons dans l’eau liquide - une image au niveau moléculaire donnée par des agrégats d’eau en phase gazeuse

Les processus de diffusion des électrons lors de la photoionisation de l’eau, puis lors du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des...) de ces électrons quasi-libres à travers le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), sont un point (Graphie) crucial pour comprendre les dommages liés aux radiations dans les organismes vivants. Or, les études expérimentales n’avaient jusqu’à présent pas permis d’en donner une image au niveau moléculaire. Des scientifiques de l’ETH Zürich et de SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) ont récemment pu apporter un nouvel éclairage sur ces processus, en utilisant une méthode expérimentale qui permet de mesurer les caractéristiques de la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un...) sur des agrégats triés en taille.

Des électrons lents ayant des énergies cinétiques inférieures à 50 électron volts (eV) interagissent fortement avec les modes électroniques et vibrationnels de l’eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) liquide. Le comportement de diffusion des électrons ayant moins de 10 eV d’énergie cinétique est particulièrement complexe. Contrairement à la diffusion à haute énergie, ce régime de diffusion ne peut pas être décrit par des modèles universels et il n’est possible d’obtenir des données précises que par le biais d’expériences. Or, ces électrons lents sont importants pour une meilleure description des processus de dommages liés aux radiations dans les milieux biologiques, dans lesquels des électrons secondaires ayant des énergies cinétiques inférieures à 10 eV sont abondamment libérés après interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action...) avec une radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) ionisante

Cette étude des chercheurs de l’ETH a été centrée sur les processus de diffusion d’électrons lors de la ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en...) par des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) d’énergie allant jusqu’à 35 eV. Il a été suggéré qu’à ces énergies, deux types principaux de processus de diffusion d’électrons se produisent dans l’eau liquide (Fig. 1):

i/ la photoionisation elle-même, à savoir la formation d’électrons libres dans la bande de conduction par photoexcitation des électrons de valence (Fig. 1a)

ii/ la diffusion des électrons libres pendant leur transport à travers le liquide (Fig. 1b).

La description du second processus a récemment été établie par un modèle de transport d’électron détaillé par l’équipe de l’ETH. Toutefois, la description du premier processus à partir des données relatives à l’eau liquide est difficile puisque ces données ne fournissent pas d’informations sur le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de molécules impliquées.


Figure 1: (a) Processus de photo-ionisation: Formation d’électrons libres dans la bande de conduction par photoexcitation des électrons de valence. (b) Transport d’électrons: Diffusion d’électrons par les degrés de liberté électroniques et vibrationnels de l’eau liquide.

En fonction de la taille de l’agrégat

Cette question a été abordée par les scientifiques de l’ETH et de SOLEIL, qui ont enregistré des spectres de photoélectron résolus en angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) pour des agrégats d’eau de différentes tailles, contenant jusqu’à 20 molécules d’eau individuelles. Ces agrégats sont si petits que toute contribution provenant d’un second processus de diffusion (Fig. 1b) peut être négligée et permet donc l’étude du seul premier processus (Fig. 1a).

Le spectromètre à coïncidence de photoélectrons/photoions par double imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...) (i2PEPICO) de la chambre à jet moléculaire SAPHIRS disponible sur DESIRS a été crucial pour ces études, car il fournit des informations spécifiques à la taille de l’agrégat et évite les problèmes liés à la contribution dominante du monomère d’eau. Des informations sur la diffusion liée au processus de photoionisation lui-même ont été obtenues par l’analyse de l’énergie cinétique et des distributions angulaires des images photoélectroniques mesurées et filtrées en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...). L’évolution, selon la taille de l’agrégat, du paramètre d’asymétrie (b) des distributions angulaires des photoélectrons (PAD) tel que présenté sur la Fig. 2, a révélé que la contribution du processus de photoionisation (Fig. 1a) est totalement décrite en considérant un agrégat d’eau comportant approximativement six molécules d’eau. Cette taille correspond à la première couche de solvatation et à la taille de l’agrégat la plus petite pour laquelle des structures topologiques en anneau deviennent moins stables que des réseaux de liaison hydrogène en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...).


Figure 2: Lignes colorées: Paramètre d’asymétrie de la distribution angulaire des photoélectrons (paramètre ?) des agrégats d’eau de taille différente correspondant à l’ionisation en couche de valence externe. n est le nombre de monomères d’eau dans l’agrégat. Losanges rouges: Prédiction pour l’eau liquide. Triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de « triangle » est justifiée par la présence de...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.): Donnée expérimentale pour l’eau liquide d’après Nishitani et al., Struct. Dyn., 4, 044014 (2017).

Diffusion d’électrons dans l’eau liquide

Les données expérimentales sur les agrégats et le modèle en deux étapes décrit sur la figure 1 ont permis aux chercheurs de prédire la diffusion d’électrons dans l’eau liquide (losange rouges sur la Fig. 2). La pertinence de cette approche a été récemment confirmée par les premières données expérimentales sur l’eau liquide de Nishitani et al., Struct. Dyn., 4, 044014 (2017) (triangle rouge sur la Fig. 2).

Ce travail ouvre la voie à une meilleure compréhension des processus de diffusion des électrons lents dans l’eau liquide, induits par radiation.

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Source: Synchrotron SOLEIL