Première vidéo montrant la formation et l’évolution d’une liaison atomique en temps réel

liaison atomes
| Nottingham University

La matière telle que nous la côtoyons quotidiennement est constituée d’atomes liés entre eux, formant des assemblages moléculaires. Bien que ce processus de liaison atomique fondamental soit à la base du monde dans lequel nous évoluons, l’échelle à laquelle il se déroule empêchait les scientifiques de l’observer en direct. Mais récemment, une équipe de chercheurs a pour la première fois réussi à capturer le phénomène sur vidéo.

La vidéo de 18 secondes montre deux atomes se vacillant séparément dans des cylindres creux de carbone. Mais lentement, ils se rapprochent de plus en plus l’un de l’autre, avant que les deux minuscules structures ne fusionnent soudainement en une seule.

La figure unifiée commence alors à se déformer, se tordant en différents angles, puis le lien est rompu. Mais, ces deux atomes ne peuvent pas rester éloignés l’un de l’autre trop longtemps. La paire fini par se rapprocher et le lien moléculaire se forme à nouveau.

Atomes de rhénium, nanotubes de carbone et MET

Filmer des atomes qui se lient les uns aux autres est une véritable prouesse scientifique. Afin de capturer le processus, les chercheurs ont piégé une paire d’atomes de rhénium dans des nanotubes étroits de carbone. Ces cylindres de carbone ont des diamètres à l’échelle moléculaire, entre 1 et 2 nm, et ont été utilisés comme tubes à essai miniatures pour les atomes.

rhenium nanotubes
Schéma montrant la molécule de dirhénium ainsi que la structure en nanotubes de carbone dans laquelle évoluent les deux atomes observés au microscope électronique à transmission. Crédits : Kecheng Cao et al. 2019

L’équipe a ensuite utilisé la microscopie électronique à transmission (MET) pour capturer le processus en vidéo. La TEM est une technique par laquelle un faisceau d’électrons à haute énergie est utilisé pour visualiser les spécimens et créer une image. « À notre connaissance, c’est la première fois que l’évolution, la rupture et la formation des liaisons sont enregistrées sur film à l’échelle atomique » déclare Andrei Khlobystov, professeur à l’Université de Nottingham.

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Liaison atomique : elle permet aux atomes de se stabiliser

Les atomes se lient les uns aux autres afin d’augmenter leur stabilité et de réduire leur énergie. À eux seuls, les atomes exercent plus d’énergie et sont plutôt instables. Mais une fois qu’ils se combinent, un atome chargé positivement et un atome chargé négativement peuvent former des molécules aux propriétés uniques. Pour pouvoir se lier, les atomes doivent d’abord partager des électrons et parvenir à un équilibre.

rhenium liaison
Animation montrant la paire d’atomes de rhénium évoluant dans la structure en nanotubes de carbone. Crédits : Kecheng Cao et al. 2019

Comme le montre la vidéo, les deux atomes se lient et évoluent ensemble le long des couloirs étroits des tubes à essai en carbone. À un moment donné, cependant, leur liaison se casse lorsque la longueur de la liaison dépasse la taille des atomes.

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La liaison entre les atomes se modifie à mesure que l’environnement autour d’eux change. Dans ce cas, elle est devenue plus faible à mesure que les atomes se déplaçaient en paire dans les nanotubes. Les deux atomes sont redevenus indépendants, mais se sont rapprochés peu de temps après et ont reformé la molécule.

Vidéo complète montrant l’évolution de la molécule de dirhénium :

https://www.youtube.com/watch?v=byEqhd5Bpr4

Sources : Science Advances

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