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Observation de la dynamique moléculaire des réactions chimiques en temps réel

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Un en cours NIST (Institut national des normes et de la technologie) se rapproche de l'un des objectifs les plus recherchés de toute urgence de la science moderne: la capacité d'observer la dynamique détaillée des réactions chimiques au fur et à mesure qu'elles se produisent - à l'échelle spatiale des molécules, des atomes et des électrons, et à l'échelle de temps picosecondes ou même plus court.

Les chercheurs ont conçu et démontré une source de rayons X très inhabituelle, compacte et relativement peu coûteuse pour un système d'imagerie qui pourrait bientôt être utilisée pour produire le type de «films moléculaires» dont les scientifiques et les ingénieurs ont besoin. «Je crois que nous allons être en mesure de mesurer les distances interatomiques avec une précision inférieure à l'angström», déclare Joel Ullom du groupe Quantum Devices de la division Quantum Electronics and Photonics de PML, Chercheur principal pour le projet collaboratif et chef de l'équipe qui a créé la source de rayons X. «Et nous pourrons observer l'activité à l'échelle atomique avec une résolution en picoseconde lors de réactions chimiques.»

«La source de rayons X est un nouveau système de table qui crée des impulsions picosecondes de rayons X, un Saint Graal parmi les scientifiques qui tentent d'élucider le mouvement précis et en temps réel des électrons, des atomes et des molécules», déclare Marla Dowell, leader du groupe Sources et Détecteurs de PML. «À terme, cette approche de table sera en mesure de rivaliser avec des techniques synchrotron bien plus coûteuses et élaborées.»

Le principe de fonctionnement commence par un faisceau laser infrarouge pulsé (IR), qui est divisé en deux parties. La première partie permet de photoexciter un matériau à l'étude, déclenchant une réaction chimique. La deuxième partie est acheminée dans une chambre à vide, au-dessus de laquelle se trouve un réservoir d'eau qui a une petite ouverture menant à la chambre. L'eau est aspirée dans la chambre dans un jet de 0,2 mm de large et le faisceau laser est focalisé sur la cible du jet d'eau en continu.

[caption id = "attachment_1198" align = "aligncenter" width = "300"] Gros plan d'une cible à jet d'eau (ligne verticale, ~ 0,2 mm de large) utilisée pour produire des impulsions de rayons X picoseconde. [Source de l'image: Jens Uhlig][/légende]

«Cela enflamme un plasma sur la cible», dit Ullom, «et certains des électrons de l'ionisation sont accélérés - en raison des très grands champs électriques du laser - dans la cible d'eau. Là, ils subissent le même type de décélération brusque que les électrons font dans un tube à rayons X conventionnel. Le faisceau infrarouge a très peu d'énergie par photon. Mais ce qui ressort de l'interaction avec la cible, ce sont des rayons X avec des énergies 10 000 fois plus élevé. Ensuite, nous collimons le faisceau de rayons X pour qu'il frappe l'échantillon d'intérêt. " Les rayons X passent ensuite à travers l'échantillon et dans une chambre cryogénique séparée où des détecteurs de rayons X supraconducteurs enregistrent le spectre d'absorption.

En septembre, l'équipe a démontré que la source de rayons X était stable sur des intervalles de temps substantiels. La prochaine étape est de commencer à faire de la science avec. «Nous sommes très intéressés par les matériaux photoactifs, les composants pour les cellules solaires et les catalyseurs de nouvelle génération», déclare Ullom. «Nous allons commencer par des systèmes modèles et partir de là.


Voir la vidéo: dynamique moléculaire (Juin 2022).