Astrochimie: la nature quantique des collisions eau-hydrogène révélée

Publié par Redbran le 10/11/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Au coeur du milieu interstellaire, à très basse température, molécules d'eau et d'hydrogène entrent régulièrement en collisions dites "inélastiques". Pour mieux les comprendre, des chercheurs du Laboratoire Aimé Cotton, de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de Planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses branches de la science ; son domaine d'étude...) et d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement...) de Grenoble et de l'Institut des Sciences Moléculaires ont étudié théoriquement et observé expérimentalement des collisions dans des conditions proches de celles de ces milieux. Ces résultats, publiés dans la revue Physical Review Letters, mettent en évidence la nature quantique de ces collisions et valident les méthodes théoriques utilisées pour la modélisation des milieux interstellaires.


L'expérience et la théorie confirment la nature quantique des collisions inélastiques des molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) avec l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.).
© Astrid Bergeat

Le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement extrêmement ténu, avec des densités typiques allant de...) est caractérisé par des très faibles densités et des très basses températures pour lesquelles les lois de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en...) classique nous inciteraient à penser qu'il ne se passe pas grand-chose, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace...) étant dans son état d'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.) minimale. Ce milieu est pourtant le théâtre d'une 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...) complexe et très riche à l'origine de la formation des étoiles et des planètes et qui interroge nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de scientifiques. La théorie quantique prédit pour ces milieux des collisions inélastiques entre atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) et molécules qui s'accompagnent de changements des états d'énergie. Plus précisément, le phénomène de résonances se manifeste par une forte augmentation des probabilités d'excitation, l'énergie de la 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.) étant communiquée à l'un des partenaires. De nombreux travaux théoriques cherchent à modéliser et prédire ces phénomènes. La confrontation à l'expérience reste cependant très compliquée car ils ne se manifestent qu'à très basse énergie de collision, correspondant à des températures de l'ordre de quelques Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non « Kelvin »).).

Des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et des Universités de Bordeaux, Paris-Saclay et Grenoble ont pourtant réussi à observer de telles résonances dans des collisions inélastiques entre l'hydrogène moléculaire (H2) et de l'eau lourde (L'eau lourde est de l’oxyde de deutérium (formule : D2O ou 2H2O). Chimiquement, elle est identique à l’eau normale (H2O), mais les atomes d’hydrogène dont elle est composée en sont des isotopes lourds, du deutérium,...), eau dont les atomes d'hydrogène ont été remplacés par du deuterium (D2O). Pour ce faire, ils ont utilisé des faisceaux moléculaires dans lesquels les molécules se déplacent toutes à la même vitesse (On distingue :) et dans la même direction sans interagir entre elles. En jouant sur l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) avec lequel ces faisceaux de D2O et H2 se croisent, les chercheurs peuvent directement moduler la vitesse relative (L'expression vitesse relative est communément utilisée, pour exprimer la différence des vitesses de deux mobiles ou la variation dans le temps de la distance entre deux mobiles. Elle est aussi employée pour exprimer des...) des molécules et donc l'énergie avec laquelle elles entrent en collision. Pour des angles très faibles, cette énergie se rapproche de l'énergie de collision rencontrée dans le milieu interstellaire et les résonnances attendues ont pu être observées. L'accord parfait entre ces déterminations expérimentales et les calculs théoriques obtenus par dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) quantique permet de valider les modèles utilisés. Ces résultats, publiés dans Physical Review Letters, ouvrent la voie à l'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...) des phénomènes quantiques dans des systèmes polyatomiques plus complexes et à la modélisation théorique plus précise des milieux interstellaires.

Référence:
A. Bergeat, S. B. Morales, C. Naulin, L. Wiesenfeld et A. Faure, Probing low-energy resonances in water-hydrogen inelastic collisions, Phys. Rev. Letters. 125 (2020) 143402.
DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.143402

Contacts:
- Astrid Bergeat - chercheuse, Institut des Sciences Moléculaires, CNRS/Université de Bordeaux - astrid.bergeat at u-bordeaux.fr
- Christian Naulin - christian.naulin at u-bordeaux.fr
- Alexandre Faure - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont...), Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, CNRS/Université de Grenoble - alexandre.faure at univ-grenoble-alpes.fr
- Laurent Wiesenfeld - Chercheur, Laboratoire Aimé Cotton (Aimé Auguste Cotton est un physicien, né à Bourg-en-Bresse en 1869, et mort à Sèvres en 1951. Il est le frère du mathématicien et académicien Émile Cotton ; son grand père était directeur de l’École normale...), CNRS/Universite Paris-Saclay - laurent.wiesenfeld at u-psud.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles technologies...),...) - Institut de chimie du CNRS -inc.communication at cnrs.fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
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