Pourquoi les cavités optiques freinent la vitesse des réactions chimiques
"Ce travail place le domaine controversé de la chimie polaritonique à un niveau différent".
Les processus chimiques sont partout autour de nous. Qu'il s'agisse de nouveaux matériaux, de médicaments plus efficaces ou de produits en plastique, les réactions chimiques jouent un rôle essentiel dans la conception des objets que nous utilisons tous les jours. Les scientifiques cherchent constamment de meilleurs moyens de contrôler ces réactions, par exemple pour développer de nouveaux matériaux. Aujourd'hui, une équipe de recherche internationale dirigée par le MPSD a trouvé une explication au ralentissement des réactions chimiques à l'intérieur des cavités réfléchissantes, où les molécules sont forcées d'interagir avec la lumière. Ses travaux, publiés dans Nature Communications, constituent une étape clé dans la compréhension de ce processus observé expérimentalement.
Un couplage vibratoire résonnant fort peut inhiber des réactions chimiques. Le couplage résonnant fort entre les modes de cavité et les modes vibrationnels peut inhiber sélectivement une réaction chimique.
E. Ronca / C. Schäfer
Les réactions chimiques se produisent à l'échelle des vibrations atomiques - un million de fois plus petites que l'épaisseur d'un cheveu humain. Ces mouvements minuscules sont difficiles à contrôler. Les méthodes établies consistent notamment à contrôler la température ou à fournir des surfaces et des complexes en solution à partir de matériaux rares. Elles abordent le problème à une plus grande échelle et ne peuvent pas cibler des parties spécifiques de la molécule. Dans l'idéal, les chercheurs aimeraient fournir une petite quantité d'énergie à certains atomes au bon moment, tout comme un joueur de billard veut donner un coup de pouce à une seule boule sur la table.
Ces dernières années, il est apparu clairement que les molécules subissent des changements fondamentaux lorsqu'elles sont placées dans des cavités optiques dotées de miroirs opposés. À l'intérieur de ces cavités, le système est contraint d'interagir avec de la lumière virtuelle, ou photons. Cette interaction modifie la vitesse des réactions chimiques, un effet qui a été observé dans des expériences mais dont le mécanisme sous-jacent restait un mystère.
Aujourd'hui, une équipe de physiciens théoriciens d'Allemagne, de Suède, d'Italie et des États-Unis a trouvé une explication possible, qui concorde qualitativement avec les résultats expérimentaux. L'équipe comprenait des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, de l'Université de technologie de Chalmers en Suède, du Center for Computational Quantum Physics du Flatiron Institute de l'Université de Harvard (tous deux aux États-Unis) et de l'Istituto per i Processi Chimico Fisici du CNR (Conseil national de la recherche) en Italie.
À l'aide d'une méthode théorique avancée, appelée théorie de la fonction de densité électrodynamique quantique (QEDFT), les auteurs ont dévoilé le mécanisme microscopique qui réduit la vitesse de la réaction chimique, pour le cas spécifique de la réaction de déprotection du 1-phényl-2-triméthylsilylacétylène. Leurs résultats sont en accord avec les observations du groupe de Thomas Ebbesen à Strasbourg.
L'équipe a découvert que les conditions à l'intérieur de la cavité optique affectent l'énergie qui fait vibrer les atomes autour des liaisons simples de la molécule, qui sont critiques pour la réaction chimique.
À l'extérieur de la cavité, cette énergie est généralement déposée dans une liaison simple pendant la réaction, ce qui peut finalement briser la liaison - une étape clé dans une réaction chimique. "Nous constatons toutefois que la cavité introduit une nouvelle voie, de sorte que l'énergie a moins de chances d'être canalisée vers une seule liaison", explique l'auteur principal Christian Schäfer. "C'est le processus clé qui inhibe la réaction chimique, car la probabilité de rompre une liaison spécifique est diminuée."
La manipulation des matériaux par l'utilisation de cavités (ce que l'on appelle la "chimie polaritonique") est un outil puissant avec de nombreuses applications potentielles, selon l'auteur de l'article, Enrico Ronca, qui travaille au CNR : "Par exemple, on a observé que le couplage à des excitations vibratoires spécifiques peut inhiber, piloter et même catalyser un processus chimique à température ambiante. Notre travail théorique améliore la compréhension des mécanismes microscopiques sous-jacents pour le cas spécifique d'une réaction inhibée par le champ."
Si les auteurs soulignent que des aspects importants restent à comprendre et que d'autres validations expérimentales sont nécessaires, ils soulignent également le rôle particulier de cette nouvelle orientation. "Ce travail place le domaine controversé de la chimie polaritonique à un niveau différent", ajoute Angel Rubio, le directeur du département de théorie du MPSD. "Il apporte un éclairage fondamental sur les mécanismes microscopiques qui permettent de contrôler les réactions chimiques. Nous nous attendons à ce que les résultats actuels soient applicables à un ensemble plus large de réactions pertinentes (y compris les réactions chimiques de clics liées au prix Nobel de chimie de cette année) dans des conditions de fort couplage lumière-matière."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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