Des chercheurs "filment" un nouveau catalyseur en action
Un nouveau système de catalyse permet de réaliser des réactions chimiques qui étaient jusqu'à présent pratiquement impossibles. La méthode mise au point à l'université de Bonn est également respectueuse de l'environnement et ne nécessite pas de métaux rares et précieux. Les chercheurs ont enregistré le déroulement exact de la catalyse dans une sorte de film à grande vitesse. Pour ce faire, ils ont utilisé des lasers spéciaux capables de rendre visibles des processus qui ne durent que quelques fractions de milliardième de seconde. Les résultats leur permettent d'optimiser davantage le catalyseur.
Imaginons que vous jouiez au mini-golf. Il y a une petite colline sur le parcours que la balle de golf doit franchir pour rouler dans le trou situé derrière elle. Pour ce faire, vous devez la frapper avec suffisamment de force. Sinon, elle ne franchira pas l'obstacle et reviendra vers vous.
Il en va de même pour de nombreuses réactions chimiques : Pour qu'elles se déroulent, il faut d'abord leur fournir suffisamment d'énergie. Un catalyseur réduit cette énergie d'activation. Pour rester dans l'image : Il nivelle un peu la colline, de sorte que la balle a besoin de moins d'élan pour la franchir. La réaction est donc plus facile et plus rapide. "Certaines réactions ne sont même possibles que grâce à l'utilisation de catalyseurs", explique le professeur Andreas Gansäuer.
Le titane au lieu des métaux précieux
Le chercheur travaille à l'Institut Kekulé de chimie organique et de biochimie de l'université de Bonn. Il travaille depuis des années sur la manière de simplifier la production de certains composés carbonés. L'utilisation de catalyseurs est généralement le moyen choisi. Le problème : les "accélérateurs de réaction" sont souvent constitués de métaux rares et précieux tels que le platine, le palladium ou l'iridium.
"Nous utilisons généralement des composés de titane à la place", explique M. Gansäuer. "En effet, le titane est l'un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre et n'est absolument pas toxique. Cependant, les catalyseurs à base de titane ont souvent besoin d'un compagnon pour pouvoir accélérer les réactions chimiques. Le plus souvent, il s'agit également d'un métal. Il active le catalyseur, (contrairement à ce dernier) est consommé dans la réaction et génère des sous-produits comme déchets.
"Peter Vöhringer, de l'Institut Clausius de chimie physique et théorique de l'université de Bonn. "Cependant, des tentatives ont été faites depuis un certain temps pour réaliser cette activation d'une manière différente : En irradiant le catalyseur avec de la lumière. Nous avons maintenant mis en œuvre cette idée. En même temps, nous avons filmé, en quelque sorte, les processus qui se produisent lors de l'activation et de la catalyse."
Les lasers créent un "orage"
La "caméra à grande vitesse" utilisée par les chercheurs était un spectromètre. Il s'agit d'un instrument complexe qui permet de déterminer l'aspect d'une molécule à un moment donné. Pour que cela fonctionne, il faut aussi un flash. Pour ce faire, les chercheurs utilisent un laser qui s'allume et s'éteint en permanence. Les moments lumineux ne durent que quelques centaines de femtosecondes (une femtoseconde est la millionième partie d'un milliardième de seconde). Le processus de catalyse est ainsi décomposé en une séquence d'images individuelles. "Cela nous permet de visualiser des processus ultrarapides", explique Vöhringer, spécialiste de cette méthode.
Toutes les molécules ne peuvent pas être filmées facilement. "Nous avons donc dû modifier le catalyseur à base de titane que nous utilisons habituellement", explique M. Gansäuer. Les expériences montrent que le composé peut être activé par la lumière et qu'il est alors capable de catalyser une forme spécifique de réactions d'oxydoréduction. Dans les réactions d'oxydoréduction, les électrons sont transférés d'un réactif à l'autre. "Ce processus est facilité par le catalyseur activé", explique M. Gansäuer. "Cela nous permet, par exemple, de produire des composés qui servent de matériaux de départ pour de nombreux médicaments importants.
Avide d'électrons
Le "film à grande vitesse" documente exactement ce qui se passe lors de l'activation par la lumière. "Les électrons ressemblent à une aiguille de boussole qui pointe dans une certaine direction", explique Jonas Schmidt, qui prépare son doctorat dans le groupe de recherche du professeur Vöhringer. "Ce spin change sous l'effet de l'irradiation. Au sens figuré, le composé de titane devient ainsi plus "avide" d'accepter un électron. Lorsqu'il le fait, il déclenche la réaction d'oxydoréduction.
"Grâce aux connaissances que nous avons acquises avec notre méthode, nous pouvons maintenant optimiser davantage le catalyseur", explique Vöhringer, qui, comme le professeur Gansäuer, est membre du domaine de recherche transdisciplinaire "Matter" à l'université de Bonn. Il est d'ores et déjà possible de l'utiliser pour réaliser des réactions chimiques difficilement réalisables auparavant. Ce succès est également l'expression d'une coopération fructueuse entre la chimie organique, d'une part, et la physique des lasers et des molécules, d'autre part, souligne M. Vöhringer : "Notre étude montre les fruits que peut porter la collaboration entre deux groupes de recherche ayant des contextes méthodologiques complètement différents."
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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