La toute première expérience de rayons X à l'échelle de l'attoseconde sur des liquides permet de mieux comprendre les propriétés moléculaires de l'eau
Des théoriciens expliquent comment la mesure des rayons X fige le mouvement de l'hydrogène, avec des implications pour d'autres domaines de la chimie
Une équipe internationale a réalisé pour la première fois une expérience à l'échelle de l'attoseconde avec un laser à rayons X à électrons libres sur de l'eau liquide, et les résultats pourraient modifier notre interprétation du comportement de l'eau. L'équipe chargée de l'expérience, dirigée par la scientifique Linda Young du laboratoire national d'Argonne aux États-Unis, a découvert un signal inhabituel en examinant de l'eau liquide à l'aide de flashs de rayons X espacés de quelques centaines d'attosecondes (une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde). Une équipe théorique dirigée par Robin Santra, chercheur principal au centre de recherche DESY et professeur à l'Universität Hamburg en Allemagne, et Xiaosong Li, professeur à l'université de Washington aux États-Unis, a utilisé des techniques de mécanique quantique pour l'analyse. Sur la base des données de la nouvelle expérience, ils ont découvert qu'une mesure de longue date de la structure de l'eau liquide avait été mal interprétée. Les effets de cette découverte démontrent non seulement le potentiel de la recherche attoseconde sur la matière condensée à l'aide de lasers à rayons X, qui est jusqu'à présent sans précédent, mais ils pourraient également nécessiter de repenser la structure d'un large éventail de molécules autres que l'eau, en particulier les molécules organiques. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.
Les molécules d'eau sont particulières à bien des égards : leur forme et la répartition de leurs électrons font que chaque molécule deH2Opossède deux pôles électriques. Cette polarité permet à l'eau d'attirer électriquement d'autres molécules d'eau et d'autres molécules polaires similaires. Cette attraction, appelée "liaison hydrogène", et la structure des molécules que les liaisons hydrogène forment sont essentielles pour comprendre le comportement unique de l'eau et la façon dont elle réagit chimiquement, notamment dans les processus essentiels à la vie. Les scientifiques peuvent surveiller cette structuration à l'aide de la spectroscopie d'émission de rayons X (XES). Cette méthode consiste à exposer une molécule à des rayons X, puis à émettre elle-même des rayons X qui transmettent des informations sur le mouvement de la molécule et sur ses liaisons chimiques.
Parallèlement, les scientifiques ont mis au point des techniques utilisant des lasers pour étudier des phénomènes dépassant les capacités de la méthode XES - un domaine appelé science de l'attoseconde, pour lequel le prix Nobel de physique a été décerné en 2023. L'équipe expérimentale dirigée par Linda Young, qui a utilisé le laser à rayons X LCLS au SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis, a réussi à utiliser des paires d'impulsions de rayons X attosecondes, les impulsions de la paire étant espacées de quelques centaines d'attosecondes l'une de l'autre, pour trouver un signal en contradiction avec les données XES, qui ont été interprétées comme montrant deux motifs structurels dans l'eau. Pour la première fois, des impulsions laser de rayons X de l'ordre de l'attoseconde ont été utilisées pour étudier la matière non gazeuse.
Pour expliquer ce résultat étrange, l'équipe de Young s'est tournée vers des physiciens théoriciens capables de calculer et de modéliser ce qui s'était passé. Santra, chef du groupe de théorie au Center for Free Electron Laser Science (CFEL) à DESY, a examiné une hypothèse de la communauté des théoriciens selon laquelle les atomes d'hydrogène présents dans l'eau pourraient être le facteur décisif. "Lorsque les rayons X traversent l'eau, les atomes d'hydrogène, qui sont très légers, peuvent commencer à bouger", explique Santra. "Ce mouvement pourrait être ce qui a été détecté dans la mesure XES, plutôt que deux structures différentes.
L'équipe de Santra a élaboré un modèle pour examiner comment l'expérience s'est déroulée au niveau des électrons. Contrairement aux mesures XES, où les rayons X éliminent un électron interne de faible énergie et le remplacent par un électron externe de plus haute énergie, ce qui entraîne le déplacement des atomes d'hydrogène, l'expérience LCLS a abouti exactement à l'inverse : un électron interne s'est déplacé plus loin. Le modèle théorique de l'équipe de Santra a montré que cette différence empêchait l'hydrogène de bouger, en plus du fait que le temps de l'attoseconde était plus rapide que tout mouvement de l'hydrogène. En fait, cela a fonctionné comme un interrupteur pour "éteindre" le mouvement de l'atome d'hydrogène", explique Swarnendu Bhattacharyya, l'un des premiers auteurs de l'article et post-doctorant dans le groupe de Santra.
"En principe, nous ne pouvons pas exclure deux structures. Cependant, elles ne correspondent pas aux deux caractéristiques observées dans les mesures XES", précise M. Santra. "Le mouvement des atomes d'hydrogène dans la molécule d'eau génère cet effet. En outre, si un tel effet fournit un résultat dans les mesures XES qui invite à l'erreur, cela pourrait signifier que cet outil fondamental dans l'étude de la structure des molécules pourrait devoir être réévalué. Cela serait particulièrement important pour la compréhension future des molécules riches en hydrogène - y compris, de manière cruciale, les hydrocarbures, qui comprennent presque toutes les molécules présentes dans les êtres vivants, presque tous les carburants que nous utilisons et les produits chimiques essentiels à l'industrie et à la vie de tous les jours.
"Cette expérience ouvre la voie à la science des lasers à rayons X attoseconde", explique M. Santra. Jusqu'à présent, la science de l'attoseconde a surtout été réalisée à l'aide de lasers optiques sur des échantillons de gaz. "En utilisant les techniques de la science de l'attoseconde avec des lasers optiques, ce résultat n'aurait pas été possible. Aujourd'hui, cette équipe a montré comment adapter les techniques attoseconde à la matière condensée avec une lumière beaucoup plus brillante, et elle a déjà révélé quelque chose de potentiellement important sur notre compréhension de la matière - que les mesures XES ne nous permettent peut-être pas d'obtenir une image complète de la matière telle qu'elle existe dans la nature".
L'expérience et les techniques de DESY ont joué un rôle crucial dans ce résultat et constituent une pierre angulaire pour le futur Centre for Molecular Water Science (CMWS) que DESY est en train de mettre en place. Les équipes expérimentales et théoriques qui ont obtenu ce résultat sont composées de scientifiques de l'Argonne National Laboratory, de l'Université de Washington, du Pacific Northwest National Laboratory, de l'Université de l'État de Washington, de l'Université de Chicago et du SLAC National Accelerator Laboratory, tous situés aux États-Unis, ainsi que de DESY, de l'Université de Hambourg et du pôle d'excellence de Hambourg "CUI : Advanced Imaging of Matter", en Allemagne.
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.
Publication originale
Shuai Li, Lixin Lu, Swarnendu Bhattacharyya, Carolyn Pearce, Kai Li, Emily T. Nienhuis, Gilles Doumy, R.D. Schaller, S. Moeller, M.-F. Lin, G. Dakovski, D.J. Hoffman, D. Garratt, Kirk A. Larsen, J.D. Koralek, C.Y. Hampton, D. Cesar, Joseph Duris, Z. Zhang, Nicholas Sudar, James P. Cryan, A. Marinelli, Xiaosong Li, Ludger Inhester, Robin Santra, Linda Young; "Attosecond-pump attosecond-probe x-ray spectroscopy of liquid water"; Science, 2024-2-15
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