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Posté par Adrien le Mercredi 23/05/2018 à 00:00
Observer le mouvement des molécules grâce à des lasers ultrarapides

Professeur André Bandrauk
Photo: Michel Caron
Dans le monde de la science, on comprend souvent les phénomènes avant de pouvoir vraiment les observer. Les théoriciens postulent et calculent et les expérimentateurs valident. Ainsi, les chimistes savent depuis près d'une centaine d'années que ce sont les électrons qui sont responsables des propriétés chimiques de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) et des liaisons entre les différents atomes d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...). Or, pour la première fois, une équipe de scientifiques chinois, conseillée par Pr André Bandrauk du Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Sherbrooke, a pu observer la vibration  des protons  à l'intérieur de molécules d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) à l'échelle attoseconde (10^-18 secondes), une échelle plus rapide que le mouvement normal atomique à l'échelle femtoseconde (10^-15 secondes). Les résultats de cette expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de l'affiner. Elle est...) ont été publiés dans la revue Nature Communications le 16 mars 2018.

Vibration moléculaire

C'est grâce des lasers ultrarapides que l'équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) a pu faire cette fascinante observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...). D'abord, les chercheurs ont utilisé deux molécules d'hydrogène, une dans sa forme la plus courante, H2, dont chaque noyau est composé d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) et l'autre dans une forme isotopique extrêmement rare en nature, le deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.), D2, dont chaque noyau est composé d'un proton et d'un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de l'atome....). Lorsque les atomes s'assemblent en molécules, ces dernières ne sont pas fixes sous l'influence de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...), c'est-à-dire que les noyaux des atomes qui les composent " vibrent " en s'éloignant et en se  rapprochant les uns des autres. C'est ce mouvement de vibration que les chercheurs ont pu observer et interpréter à l'échelle attoseconde grâce à des modèles quantiques.

Électrons voyageurs, émetteurs de photons

En isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le...) les molécules d'hydrogène H2  et de deutérium D2 on les soumet à une pulsation laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) ultrarapide, ce qui a pour effet d'exciter un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) et de l'éloigner de son noyau pour une infime quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Lorsque l'électron contrôlé par le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) de l'impulsion laser revient dans son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...) moléculaire habituel, il  se recombine et perd de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et émet alors des photons ? de la lumière ? à plusieurs fréquences, des harmoniques. C'est cette lumière, l'émission ultrarapide de photons que les chercheurs ont pu observer.

Ainsi, selon le moment où l'électron se déplace lors de la vibration moléculaire, la distance entre les deux noyaux de la molécule est différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie...). Or, en comparant les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) recueillies, et en les interprétant comme collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) électronique suite à des simulations quantiques, on a pu démontrer que la vibration des molécules de deutérium est plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) que celle des molécules de l'hydrogène " courant " à l'échelle attoseconde.

Bénéficier de molécules plus stables

" Cette observation est significative, puisque la vitesse (On distingue :) des liens qui se créent entre les molécules a une incidence majeure dans les réactions chimiques, commente Pr André Bandrauk. En sachant que le deutérium a un mouvement moléculaire plus lent, on peut considérer que les réactions chimiques le mettant en cause sont plus stables que celles molécules contenant de l'hydrogène " courant ".  Une meilleure compréhension de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du mouvement atomique dans les molécules permettra éventuellement de mieux contrôler les réactions chimiques à l'échelle atomique. Ceci aura une influence sur la stabilité des molécules que nous utilisons dans les médicaments ou dans différents matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). "

Déjà, certaines compagnies pharmaceutiques utilisent le deutérium pour stabiliser des médicaments et leur donner une durée d'existence plus longue dans le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.), augmentant ainsi leur effet thérapeutique (La thérapeutique (du grec therapeuein, soigner) est la partie de la médecine qui étudie et applique le traitement des maladies.).

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Source: Université de Sherbrooke