Molécule abattue par explosion

Faire exploser le sujet de la photo afin de prendre sa photo ? Une équipe de recherche internationale de l’European XFEL, le plus grand laser à rayons X au monde, a appliqué cette méthode « extrême » pour capturer des images de molécules complexes. Les scientifiques ont utilisé des flashs de rayons X ultra-lumineux générés par l’installation pour prendre des instantanés de molécules d’iodopyridine en phase gazeuse avec une résolution atomique. Le laser à rayons X a fait exploser les particules et l’image a été reconstruite à partir de la coupe. « Grâce aux impulsions de rayons X européennes très intenses et particulièrement courtes, nous avons pu produire une image d’une clarté sans précédent pour cette méthode et cette taille de molécule », explique Rebecca Ball de European XFEL, chercheuse principale de l’expérience et l’une des premières auteurs de la publication dans la revue scientifique Physique naturelle où l’équipe décrit ses résultats. Des images aussi claires de molécules complexes n’ont pas été possibles avec cette technique expérimentale jusqu’à présent.

Les images sont une étape importante vers l’enregistrement de films moléculaires, que les chercheurs espèrent utiliser à l’avenir pour surveiller les détails des réactions biochimiques et chimiques ou des changements physiques à haute résolution. Ces films devraient stimuler les développements dans divers domaines de recherche. « La méthode que nous utilisons est particulièrement prometteuse pour étudier les processus photochimiques », explique Til Janke de European XFEL et de l’Université Goethe de Francfort, qui est membre de l’équipe principale chargée de l’étude. Ces processus dans lesquels des réactions chimiques sont déclenchées par la lumière sont d’une grande importance à la fois en laboratoire et dans la nature, par exemple dans la photosynthèse et les processus visuels dans l’œil. « Le développement de films moléculaires est une recherche fondamentale », explique Jahnke, dans l’espoir que « les connaissances acquises grâce à eux pourront nous aider à mieux comprendre ces processus à l’avenir et à développer de nouvelles idées pour la médecine, la production d’énergie durable et la recherche sur les matériaux ».

Dans la méthode connue sous le nom d’imagerie en rafale de Coulomb, une impulsion laser de haute intensité et très courte éjecte un grand nombre d’électrons de la molécule. En raison de la forte répulsion électrostatique entre les atomes restants chargés positivement, la molécule explose en quelques femtosecondes – un millionième de milliardième de seconde. Ensuite, les fragments ionisés individuels divergent et sont enregistrés par un détecteur.

« Jusqu’à présent, l’imagerie de l’explosion de Coulomb a été limitée à des particules aussi petites que pas plus de cinq atomes », explique Julia Schäfer du Center for Free Electron Laser Science (CFEL) à DESY, l’autre premier auteur de l’étude. « Grâce à notre travail, nous avons dépassé cette limite pour cette méthode. » Iodopyridine (C₅h₄IN) se compose de onze atomes.

Le studio de cinéma pour les images de particules explosives est l’outil SQS (Small Quantum Systems) d’European XFEL. Un microscope à réaction COLTRIMS (REMI) a été développé spécifiquement pour ces types d’investigations, car il utilise des champs électriques pour diriger les fragments chargés dans le détecteur. L’emplacement et le moment de l’impact des fragments sont déterminés puis utilisés pour reconstituer leur impulsion – le produit de la masse et de la vitesse – avec laquelle les ions frappent le détecteur. « Ces informations peuvent être utilisées pour obtenir des détails sur la molécule, et à l’aide de modèles, nous pouvons reconstituer le déroulement des interactions et des processus impliqués », explique Robin Santra, chercheur à DESY, qui a dirigé la partie théorique des travaux.

L’imagerie de l’explosion de Coulomb est particulièrement adaptée au suivi d’atomes très légers comme l’hydrogène dans interaction chimique. Cette technique permet des investigations détaillées des molécules individuelles dans la phase gazeuse et est donc une méthode complémentaire pour produire des films moléculaires, ainsi que celles développées pour les liquides et les solides dans d’autres dispositifs européens XFEL.

« Nous voulons comprendre en détail les processus photochimiques de base. En phase gazeuse, il n’y a pas d’interférence d’autres molécules ou de l’environnement. Nous pouvons donc utiliser notre technologie pour étudier des molécules individuelles isolées », explique Jahnke. Paul ajoute qu’ils « travaillent sur l’enquête ». dynamique moléculaire Dans une prochaine étape, afin que les images individuelles puissent être combinées en un véritable film moléculaire, la première de ces expériences a déjà été réalisée.  »