La transformation d'une molécule d'eau irradiée observée et imagée

Publié par Redbran le 24/01/2022 à 13:00
Source: CNRS INC

© DESY, Ludger Inhester
Les fortes irradiations modifient la matière. Si on peut facilement observer le résultat final, le détail de ces transformations dans le temps est bien plus difficile à révéler, étant donné l'extrême brièveté des phénomènes en jeu. Une équipe internationale, codirigée par des chercheurs du Laboratoire de chimie physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des...) - matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) et rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) (LCPMR, CNRS/Sorbonne Université), a décrit l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) soumise à la source de rayons X la plus puissante d'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...). Publiés dans la revue Physical Review X, ces travaux isolent des étapes séparées par seulement quelques femtosecondes.

Lorsqu'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) est soumise à un rayonnement X, l'ionisation en couche interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) d'électrons prédomine par rapport à l'ionisation des couches externes. On parle alors d'ionisation de coeur qui est, dans la grande majorité des cas, suivie de l'émission d'un deuxième électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...), l'électron Auger. La molécule doublement ionisée, instable, va alors exploser. Cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un...) se retrouve en cas d'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...) de tissus biologiques, accidentelle ou dans le cadre de radiothérapie (La radiothérapie est une méthode de traitement locorégional des cancers, utilisant...) contre des tumeurs, dans les phénomènes d'usure des réacteurs nucléaires ainsi que dans l'espace, comme sur Saturne ou lors de la formation de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) des comètes. L'eau est impliquée dans tous ces cas de figure et il est donc important de comprendre comment elle réagit dans de telles conditions.

Une vaste équipe de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) internationale, comportant des scientifiques du Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) - matière et rayonnement (LCPMR, CNRS/Sorbonne Université), a obtenu le détail de la transformation de molécules individuelles d'eau après des irradiations extrêmes, décrivant des phénomènes qui se produisent lors des premiers millionièmes de milliardièmes de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) d'exposition aux rayons X.

Les chercheurs ont pour cela utilisé un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) X à électrons libres (XFEL). Cet appareil aussi rare qu'imposant émet des rayons X un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) de fois plus intenses que ceux, pourtant déjà très puissants, fournis par les synchrotrons. Grâce à cette puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :), les molécules d'eau sont multiplement ionisées en absorbant plusieurs photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) successivement, au lieu d'un seul au maximum avec un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...). Grâce à l'utilisation d'un microscope réactionnel, qui permet d'imager les ions, l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...) d'une molécule d'eau a été filmée. Une étroite collaboration avec des théoriciens a alors permis de comprendre finement la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace...) singulière que pouvaient prendre parfois la molécule d'eau.

Ces travaux ont mobilisé des chercheurs du Laser européen à électrons libres et à rayons X (European XFEL, Allemagne), du Laboratoire de chimie physique - matière et rayonnement (LCPMR, CNRS/Sorbonne Université), du Synchrotron allemand de Hambourg (DESY), des universités allemandes Goethe de Francfort, de Kassel, de Fribourg-en-Brisgau et de Hambourg, les universités suédoises de Lund, Göteborg et Uppsala, ainsi que des universités de Turku (Finlande) et de l'État du Kansas (États-Unis), du Laboratoire national Lawrence-Berkeley (États-Unis), de l'Institut de photonique et de nanotechnologies de Milan (Milan (en italien Milano, du latin Mediolanum, en lombard Milàn) se situe dans le nord de...) (Italie), de l'école polytechnique de Milan (Italie), de l'institut Fritz-Haber de la Société Max-Planck (La Société Max-Planck (en allemand Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V....) (Allemagne) et de l'Institut Max-Planck de Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du...) (Allemagne).


Lors des dix premiers millionièmes de milliardièmes de seconde de l'exposition d'une molécule d'eau aux rayons X, elle se plie au point (Graphie) que ses atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) s'alignent. C'est une des différentes étapes de l'explosion d'une molécule irradiée par des rayons X. © DESY (Le DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron, « Synchrotron d'électrons allemand ») est...), Ludger Inhester.


Le laser European XFEL est installé dans des installations souterraines de 3,4 kilomètres de long. © European XFEL / Luftaufnahmen: FHH, Landesbetrieb Geoinf. und Vermessung.

Référence:
T. Jahnke, R. Guillemin, L. Inhester, S.-K. Son, G. Kastirke, M. Ilchen, J. Rist, D. Trabert, N. Melzer, N. Anders, T. Mazza, R. Boll, A. De Fanis, V. Music, Th. Weber, M. Weller, S. Eckart, K. Fehre, S. Grundmann, A. Hartung, M. Hofmann, C. Janke, M. Kircher, G. Nalin, A. Pier, J. Siebert, N. Strenger, I. Vela-Perez, T. M. Baumann, P. Grychtol, J. Montano, Y. Ovcharenko, N. Rennhack, D. E. Rivas, R. Wagner, P. Ziolkowski, P. Schmidt, T. Marchenko, O. Travnikova, L. Journel, I. Ismail, E. Kukk, J. Niskanen, F. Trinter, C. Vozzi, M. Devetta, S. Stagira, M. Gisselbrecht, A. L. Jäger, X. Li, Y. Malakar, M. Martins, R. Feifel, L. Ph. H. Schmidt, A. Czasch, G. Sansone, D. Rolles, A. Rudenko, R. Moshammer, R. Dörner, M. Meyer, T. Pfeifer, M. S. Schöffler, R. Santra, M. Simon, and M. N. Piancastelli.
Inner-shell-ionization-induced femtosecond structural dynamics of water molecules imaged at an x-ray free-electron laser
Physical Review X 2021
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.041044

Contacts:
- Marc Simon - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) au Laboratoire de chimie physique - matière et rayonnement - marc.simon at sorbonne-universite.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - Institut de chimie du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) - 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...) pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...) - Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC - inc.communication at cnrs.fr
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