Les scientifiques capturent la transition fugace de l’eau vers un état hautement réactif

Les scientifiques capturent la transition fugace de l’eau vers un état hautement réactif
Les scientifiques capturent la transition fugace de l’eau vers un état hautement réactif

Pour observer la paire hydroxyle-hydronium à courte durée de vie, les chercheurs ont créé des jets d’eau liquide de 100 nanomètres d’épaisseur et ont ionisé les molécules d’eau avec une lumière laser intense (faisceau rouge). Ensuite, ils ont sondé les molécules avec de courtes impulsions d’électrons à haute énergie (faisceau bleu) de MeV-UED pour générer des instantanés haute résolution du processus d’ionisation. Cela leur a permis de mesurer les liaisons entre les atomes d’oxygène ainsi que les liaisons entre les atomes d’oxygène (cercles rouges) et d’hydrogène (cercles blancs) en même temps, capturant ainsi ce complexe important mais instable (bleu et vert). Crédit : Ming-Fu Lin

Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie ont découvert une étape clé dans l’ionisation de l’eau liquide à l’aide de la « caméra électronique » à grande vitesse du laboratoire, MeV-UED. Cette réaction est d’une importance fondamentale pour un large éventail de domaines, y compris le génie nucléaire, les voyages dans l’espace, le traitement du cancer et l’assainissement de l’environnement. Leurs résultats ont été publiés dans Science aujourd’hui.

Lorsqu’un rayonnement à haute énergie frappe une molécule d’eau, il déclenche une série de réactions ultrarapides. Premièrement, il expulse un électron, laissant derrière lui une molécule d’eau chargée positivement. En une fraction de billionième de seconde, cette molécule d’eau cède un proton à une autre molécule d’eau. Cela conduit à la création d’un radical hydroxyle (OH) – qui peut endommager pratiquement n’importe quelle macromolécule dans un organisme, y compris l’ADN, l’ARN et les protéines – et un ion hydronium (H3O+), qui sont abondants dans le milieu interstellaire et les queues des comètes, et pourraient contenir des indices sur l’origine de la vie.

Capturer la paire instable

Dans un précédent Science article publié en 2020, une équipe dirigée par des scientifiques du laboratoire national d’Argonne du DOE a utilisé le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC pour assister, pour la première fois, à la réaction de transfert de protons ultrarapide après ionisation de l’eau liquide. Mais jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient pas encore observé directement le couple hydroxyle-hydronium.

“Toutes les chirurgies au laser et les radiothérapies produisent ce complexe instable, qui peut conduire à de nombreuses réactions chimiques dans le corps humain”, explique le scientifique et responsable de l’étude du SLAC, Ming-Fu Lin. “Il est intéressant de noter que ce complexe aide également à purifier notre eau potable en tuant les germes. Il est également important dans la production d’énergie nucléaire où l’eau est ionisée par d’autres formes de rayonnement. De nombreuses simulations prédisent l’existence de ce complexe, mais nous avons enfin observé son formation.”

Pour observer la paire hydroxyle-hydronium de courte durée, les chercheurs ont créé des jets d’eau liquide de 100 nanomètres d’épaisseur, environ 1 000 fois plus fins que la largeur d’un cheveu humain, et ont ionisé les molécules d’eau avec une lumière laser intense. Ensuite, ils ont sondé les molécules avec de courtes impulsions d’électrons à haute énergie de MeV-UED pour générer des instantanés haute résolution du processus d’ionisation. Cela leur a permis de mesurer les liaisons entre les atomes d’oxygène et les liaisons entre les atomes d’oxygène et d’hydrogène en même temps, capturant ainsi ce complexe important mais instable.

Ouvrir une fenêtre sur les réactions chimiques

Pour assurer le suivi, les chercheurs prévoient d’augmenter la vitesse d’imagerie afin que le processus de transfert de protons puisse être mesuré directement avant la formation des paires hydroxyle-hydronium. Ils espèrent également observer l’électron éjecté dans l’eau liquide pour mieux comprendre comment il affecte le processus.

“Les deux sujets ont été intensivement étudiés par des simulations, mais aucune mesure structurelle directe n’a été prise pour valider les théories”, explique Matthias Ihme, professeur agrégé au département de génie mécanique de l’Université de Stanford qui a dirigé l’analyse théorique. “Ces mesures sont également essentielles pour tester nos modèles théoriques qui prédisent ces processus.”

« De nombreux états et structures intermédiaires dans les réactions chimiques sont soit inconnus, soit n’ont pas encore été observés directement », ajoute Xijie Wang, éminent scientifique du SLAC et collaborateur à l’étude. “Nous pouvons utiliser MeV-UED pour explorer et capturer divers complexes à courte durée de vie et importants, ouvrant une fenêtre pour étudier les réactions chimiques au fur et à mesure qu’elles se produisent.”


Des scientifiques observent la naissance ultrarapide de radicaux


Plus d’information:
M.-F. Lin et al, Imagerie de la paire hydroxyle-hydronium à courte durée de vie dans l’eau liquide ionisée, Science (2021). DOI : 10.1126/science.abg3091

Fourni par SLAC National Accelerator Laboratory

Citation: Les scientifiques capturent la transition fugace de l’eau vers un état hautement réactif (2021, 1er octobre) récupéré le 1er octobre 2021 sur https://phys.org/news/2021-10-scientists-capture-fleeting-transition-highly.html

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