Rôle de l'environnement sur la fragmentation de molécules induite par irradiation ionique

Publié par Redbran le 17/08/2020 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
Les faisceaux d'ions énergétiques font partie des rayonnements ionisants, capable de produire des ions lors de leur interaction avec la matière. L'interaction ion-atome ou molécule cible doit avant tout être bien comprise pour maitriser les processus mis en jeu. Ainsi, de nombreuses études de la fragmentation de molécules isolées induite par l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon...) de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) fournissent une vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) détaillée du processus.

Mais qu'en est-il lorsque cette molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) est environnée et constitue un élément d'un solide ou d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ? Cette question est primordiale pour de nombreuses applications en 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...) sous rayonnement ou radiobiologie.

Les expériences menées au CIMAP, en collaboration étroite avec 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 Theoretical Physics est un tel...) of Modern Physics de Lanzhou en Chine, montrent que suite à une irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de...) d'une molécule par des ions énergiques, certaines voies réactives ne sont ouvertes, qu'en présence d'un 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...), tel qu'on le trouve au sein d'un dimère.

Depuis une dizaine d'années, les physiciens se sont tournés vers l'étude d'objets particuliers que sont les agrégats de van der Waals: il s'agit d'atomes et/ou de molécules assemblées en dimère par leur seule polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une...) (permanente ou mutuellement induite), sans partage d'électrons. Ce ne sont donc pas des molécules (au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) d'une liaison covalente) mais ils permettent de simuler les interactions entre atomes ou molécules avec un liquide. Ce point (Graphie) important permet, lorsque l'on s'intéresse à ces petits systèmes de dimères de pouvoir étudier "un petit morceau de solide ou de liquide" à l'aide des techniques les plus fines, comme la spectroscopie d'impulsion, qui permettent de suivre la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et notamment par son centre de gravité.) et la vitesse (On distingue :) de tous les fragments produits lors de la dissociation du système moléculaire. Il est alors possible d'obtenir des informations extrêmement détaillées sur l'influence de ce micro-environnement sur le comportement d'une des composantes soumise à la perturbation d'un rayonnement, tel qu'une 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.) par un ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui...) énergétique.

Le résultat présenté ici est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par...) d'une progression continue des connaissances sur le sujet: dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), il a été observé que bien qu'assemblés, chaque constituant du dimère conserve effectivement un comportement semblable à celui 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...) ou de la molécule isolé. Ainsi, par exemple, les sections efficaces de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la...) électronique restent inchangées et le dimère se comporte comme si chacun des deux partenaires du dimère était seul à interagir avec le rayonnement [1, 2]. De même, la dissociation d'une molécule composante induite par l'impact d'un ion se déroule sans ressentir la présence de la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est...) molécule du dimère ou de l'aggrégat [3]. Cependant, la proximité de l'autre objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) autorise de nouveaux processus, qui sont inexistants voire interdits pour l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) ou la molécule isolé. C'est le cas notamment, du processus désigné par "Inter Coulombic Decay", observé lors de collisions de basse 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.), qui conduit à la production d'un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) important d'électrons de basse énergie [4]. Ce type de processus doit bien être identifié, car les électrons ainsi produits ont une efficacité reconnue pour briser des molécules par attachement, et induire ainsi une cascade réactionelle.

Cette étude a été poursuivie dans le cadre d'une collaboration entre le CIMAP et l'Institut of Modern Physics de Lanzhou en Chine. L'enjeu de cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) est de voir si les techniques maitrisée par des physiciens peuvent apporter des informations importantes sur les processus chimiques consécutifs à la dissociation moléculaire, au sein d'un milieu liquide ou solide: est-il possible par cette voie de tracer ou "filmer"" la réaction entre les fragments moléculaires et les premières molécules voisines. Avec cet objectif, la collaboration s'est intéressée au système associant, au sein d'un dimère de van der Waals, un atome d'argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.) (Ar) et une molécule d'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) (N2). La fragmentation de la molécule est provoquée par la collision avec un ion énergétique (Ne8+ d'une énergie de 1 MeV), et les produits de la réaction identifiés et caractérisés par une spectroscopie de temps de vol en coïncidence, associée à une technique d'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...). Cette technique, appelée spectroscopie d'impulsion (ou COLTRIMS en anglais), et développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) au CIMAP depuis les années 90, a permis d'observer un produit de réaction inattendu: l'ion moléculaire NAr+.


Courbes de potentiel du système (N2Ar)2+ en fonction de la distance (N-NAr)2+. L'irradiation par des ions Ne8+ de 1 MeV, de la molécule N2 au sein du dimère de Vander Waals N2-Ar conduit à une double 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 perdant ou en gagnant...). La présence de l'atome d'argon, environnant la molécule N2, ouvre, par un processus d'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la...) coulombienne, la voie du trajet réactionnel aboutissant au produit NAr+.

Sa présence signe la possibilité très surprenante d'une réaction chimique, c'est-à-dire la création d'une liaison covalente, entre un fragment de la molécule d'azote et l'atome de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...) rare présent au sein du dimère initial. Ce transfert, bien connu dans le cas de la liaison hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), est tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait surprenant dans le cas d'un ion aussi lourd que N+. Il peut cependant s'expliquer par un effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique si...) permettant à l'ion N+ de franchir la barrière de potentiel (Le terme barrière de potentiel permet de désigner de façon intuitive les effets cinétiques que subit un objet mécanique de la part des forces auxquelles il est soumis. Notamment, dans le cas des forces répulsives son mouvement...) séparant l'ion moléculaire N2+ et l'Ar et ce suffisamment rapidement pour que la liaison Ar-N+ s'établisse, avant que le dimère ne se dissocie complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant...) sous l'effet de la répulsion coulombienne entre ses constituants électriquement chargés [5].

Ainsi, bien que l'impact de l'ion sur un des constituants du dimère ait un effet identique à celui sur la molécule isolée, sans modification du processus d'excitation, la présence de l'autre composante du dimère ("environnement") ouvre de nouvelles voies réactionnelles dont il faut tenir compte dans l'étude de l'effet des rayonnements ionisants dans les systèmes liquides, solides ou biologiques.

Références:

[1] Asymetry in Multiple-electron capture revealed by radiative Charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) transfer in Ar dimers, J.Matsumoto, A.Leredde, X.Fléchard, K.Hayakawa, J.Rangama, C.L.Zhou, S.Guillous, D.Hennecart, T.Muranaka, A.Mery, B.Gervais, A.Cassimi, Phys Rev. Lett 105 (2010) 263202.

[2] Atomic site-sensitive processes in low energy ion-dimer collisions,
W.Iskandar, J.Matsumoto, A.Leredde, X.Fléchard, B.Gervais, S.Guillous, D.Hennecart, A.Mery, J.Rangama, C.L.Zhou, H.Shiromaru, A.Cassimi, Phys Rev. Lett 113 (2014) 143201.

[3] Role of a neighbor ion in the fragmentation dynamics of covalentmolecules,
A.Mery, A.N.Agnihotri, J.Douady, X.Fléchard, B.Gervais, S.Guillous, W.Iskandar, E.Jacquet, J.Matsumoto, J.Rangama, F.Ropars, C.P.Safvan, H.Shiromaru, D.Zanuttini, A.Cassimi, Phys Rev. Lett 118 (2017) 233402.

[4] Interatomic coulombic decay as a new source of low energy electrons in slow ion-dimer collisions,
W.Iskandar, J.Matsumoto, A.Leredde, X.Fléchard, B.Gervais, S.Guillous, D.Hennecart, A.Mery, J.Rangama, C.L.Zhou, H.Shiromaru, A.Cassimi, Phys Rev. Lett 114 (2015) 003201.

[5] Heavy N+ ion transfer in doubly charged N2Ar van der Waals cluster,
X.L. Zhu, X.Q. Hu, S.C. Yan, Y.G.Peng, W.T. Feng, D.L.Guo, Y.Gao, S.F. Zhang, A. Cassimi, J.W. X, D.M. Zhao, D;P. Dong, B. Hai, Y. Wu, J.G. Wang, X. Ma, Nature 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...), ainsi...) 11, 2987 (2020)

Contacts CEA-IRAMIS:
- Amine CASSIMI
- (CIMAP/AMA)

Collaboration:
- XiaoLong ZHOU, ShunCheng Yan, WenTian Feng, DaLong Guo, Yong Gao, ShaoFeng Zhang, JiaWei Xu, DongMei Zhao, DaPu Dong, Bang Hai, X. Ma: Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, 730000 Lanzhou, China.
- XiaoLong ZHOU, ShunCheng Yan, DaLong Guo, ShaoFeng Zhang, JiaWei Xu, DaPu Dong, Bang Hai, X. Ma: University of Chinese Academy of Sciences, 100049 Beijing, China.
- XiaoQing Hu, YiGeng Peng, Yong Wu, JianGuo Wang: Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, 100088 Beijing, China.
- Yong Wu: HEDPS, Center of Applied Physics and Technology, Peking University, 100871 Beijing, China.
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