Observer la transformation des ions moléculaires en temps réel
La formation et la dynamique structurelle des ions moléculaires en phase gazeuse ont été surveillées pour la première fois en utilisant la diffraction électronique à grande vitesse combinée à une ionisation multiphotonique améliorée par résonance. La nouvelle méthode surmonte certaines des difficultés associées à l’exploration de ces espèces chimiques, ouvrant ainsi la voie à des opportunités passionnantes dans le domaine de la chimie ionique.
«Cette réalisation remarquable ouvre une nouvelle frontière dans le domaine de l’imagerie, offrant une contribution primordiale à notre compréhension des mécanismes fondamentaux régissant la chimie», déclare Andrea Trabattoni du DESY Hambourg et de l’Université Leibniz de Hanovre en Allemagne, qui n’a pas participé à l’étude. Il qualifie cette approche de révolutionnaire et affirme qu’elle est prometteuse pour une extension à d’autres systèmes.
Les ions moléculaires en phase gazeuse jouent un rôle important dans de nombreuses réactions, notamment dans la chimie atmosphérique et interstellaire, mais étudier ces espèces et observer comment elles se forment et évoluent en temps réel s’avère délicat. «Les ions sont très réactifs dans leur état naturel et cherchent à se stabiliser grâce à leurs interactions avec d’autres espèces.» Cette propriété inhérente rend leur observation difficile», explique Jun Heo de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) et de l’Institut coréen avancé des sciences et technologies (KAIST) à Daejeon. «Notre approche nous permet de capturer le moment où les ions subissent des modifications dans un format vidéo.»
«Notre étude est la première à observer la dynamique des ions en phase gazeuse», explique Hyotcherl Ihee, qui travaille également à l’IBS et au KAIST. «Dans nos expériences, nous avons utilisé l’instrument de diffraction électronique ultrarapide (MeV-UED) mégaélectronvolt du SLAC, l’un des dispositifs capables de générer les impulsions électroniques les plus rapides au monde.» Le collègue d’Ihee, Doyeong Kim, ajoute que l’installation peut accélérer les électrons jusqu’à 0,99 fois la vitesse de la lumière.
Les chercheurs ont étudié le devenir des cations 1,3-dibromopropane (DBP+), qu’ils ont généré à l’aide d’une ionisation multiphotonique améliorée par résonance (REMPI). «Les méthodes d’ionisation conventionnelles sont souvent radicales, conduisant à la fragmentation du système cible ou à la génération de sous-produits indésirables», explique Kim. « Le REMPI, en revanche, est une méthode très douce. Il crée sélectivement les ions spécifiques que nous souhaitons observer.
«Les ions sont préparés à l’échelle femtoseconde par photoionisation de molécules neutres», explique Thomas Wolf, un scientifique du SLAC qui n’a pas participé aux recherches. «En utilisant des impulsions électroniques ultracourtes avec des délais de l’ordre de la picoseconde par rapport à la photoionisation, des instantanés structurels peuvent être mesurés alors que les ions sont encore très concentrés et avant qu’ils n’aient eu suffisamment de temps pour se séparer.»
«En règle générale, lorsque des ions sont créés de force, on s’attend à ce qu’ils subissent rapidement des changements structurels ou se divisent en différentes formes, mais nos résultats ont révélé un phénomène contraire à ces attentes», souligne Heo. Il explique que peu de temps après la génération du DBP+ ions, il y a une pause afin que les changements structurels ne soient pas immédiatement apparents. Les ions sont restés dans cet « état sombre » pendant 3,6 picosecondes, puis se sont progressivement désintégrés jusqu’à la configuration la plus stable, qui était un ion bromonium avec une structure cyclique à trois chaînons.
Wolf dit que même si le DBP+ Le système est relativement simple, en raison des atomes de brome fortement diffusés dans l’ion et de la longueur d’onde REMPI étant facilement disponible à partir des systèmes laser standard, l’installation du SLAC dispose désormais de capacités avancées de réglage de longueur d’onde, il estime donc que les expériences sur une classe plus large d’ions moléculaires pourrait devenir réalisable.
«Pour appliquer cette méthode à un système ionique plus universel, il est nécessaire de concevoir diverses techniques, telles que la vaporisation efficace de l’échantillon et son ionisation», ajoute Ihee. « Par conséquent, nous pensons que des innovations supplémentaires sont nécessaires pour que ces méthodes soient plus largement adoptées, mais si cela se produit, nous prévoyons que notre approche pourrait être utilisée pour étudier diverses substances chimiques connues. »
