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Les réactions chimiques sont des processus extrêmement rapides, mettant en jeu des interactions moléculaires complexes et successives. Jusqu’à maintenant, les chercheurs ne pouvaient observer que les phases de début et de fin d’une réaction chimique, sans pouvoir observer le déroulement de la réaction elle-même. Toutefois, récemment, des chimistes de l’université d’Harvard ont pu refroidir des molécules à une température si basse qu’elles ont été ralenties au point de donner la possibilité aux chercheurs de pouvoir observer en détails la réaction chimique. Un exploit qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles technologies, de l’ingénierie civile à l’informatique quantique.

Il s’agit de 500 nanokelvins, quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. La nature glaciale de cette configuration est importante car à ces températures, les molécules ont tendance à ralentir au point de presque s’arrêter. Pour qu’une réaction chimique se produise, les molécules lentes ne sont généralement pas indiquées.

Mais dans ce cas, la réduction de la température et de la vitesse a donné à l’équipe dirigée par l’Université de Harvard l’opportunité de voir quelque chose qui n’avait jamais été observé auparavant : le moment où deux molécules se rencontrent et forment deux nouvelles molécules. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Ralentir les molécules pour observer leur réaction en détails

Les réactions chimiques ne prennent qu’une picoseconde, ce qui rend très difficile d’observer ce qu’il se passe durant ce laps de temps. Même les lasers ultra-rapides agissant comme des caméras peuvent généralement capturer le début et la fin d’une réaction, mais pas ce qu’il se produit au milieu. Ralentir la réaction via des températures extrêmement froides obtenues par l’équipe était donc la solution idéale.

La température la plus froide dans l’univers est le zéro absolu, une température expérimentalement impossible à atteindre. Mais il est possible de sérieusement s’en approcher. Des températures ultra basses signifient des énergies très basses, et donc une réaction beaucoup plus lente : deux molécules de potassium rubidium choisies pour leur plasticité ont été retardées durant la phase de réaction pendant quelques microsecondes.

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reaction molecules

Les réactions chimiques transforment les réactifs en produits via un état intermédiaire où les liaisons se cassent et se forment. Souvent trop courte pour être observée, cette phase a jusqu’ici échappé à l’observation détaillée. En « gelant » la rotation, la vibration et le mouvement des réactifs (ici des molécules de potassium-rubidium) à une température de 500 nanokelvins (température à peine supérieure au zéro absolu), le nombre d’états énergétiques autorisés pour les produits est limité. « Pris au piège » dans la phase intermédiaire plus longtemps, les chercheurs peuvent alors observer cette phase directement avec la détection par photoionisation. Crédits : Ming-Guang Hu

Une technique connue sous le nom de détection par photoionisation a ensuite été utilisée pour observer ce qui se passait entre les deux molécules, fournissant ainsi aux chercheurs des données réelles précieuses pour éclairer leurs modèles et leurs hypothèses.

Pouvoir observer des réactions chimiques de si près et à un niveau aussi fondamental ouvre la possibilité de concevoir de nouvelles réactions également ; un nombre presque illimité de combinaisons est imaginable, potentiellement utile dans tous les domaines, de la construction matérielle à l’informatique quantique.

Sources : Science

reaction chimique froid

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