Dynamique des électrons ultrarapides dans l’espace et le temps – Technoguide

Souvent représentées sous forme de ballons colorés ou de nuages, les orbitales d’électrons fournissent des informations sur la localisation des électrons dans les molécules, un peu comme des instantanés flous. Afin de comprendre l’échange d’électrons dans les réactions chimiques, il est non seulement important de connaître leur distribution spatiale mais aussi leur mouvement dans le temps. Les scientifiques ont maintenant fait d’énormes progrès dans cette direction: ils ont réussi à enregistrer des images orbitales avec une résolution temporelle extrêmement élevée.

«Pendant des décennies, la chimie a été régie par deux objectifs ambitieux», déclare le professeur Stefan Tautz, chef du sous-institut Quantum Nanoscience au Forschungszentrum Jülich. “L’une d’elles consiste à comprendre les réactions chimiques directement à partir de la distribution spatiale des électrons dans les molécules, tandis que l’autre consiste à suivre la dynamique des électrons au fil du temps lors d’une réaction chimique.” Ces deux objectifs ont été atteints dans le cadre de découvertes révolutionnaires distinctes en chimie: la théorie des orbitales moléculaires de la frontière expliquait le rôle de la distribution électronique dans les molécules lors de réactions chimiques, tandis que la spectroscopie femtoseconde permettait d’observer les états de transition dans les réactions. “Cela a longtemps été un rêve de chimie physique de combiner ces deux développements et ensuite de tracer des électrons dans une réaction chimique dans le temps et l’espace.”

Les scientifiques ont maintenant fait un grand pas en avant vers la réalisation de cet objectif: ils ont observé des processus de transfert d’électrons à une interface métal-molécule dans l’espace et le temps. Ces interfaces font l’objet de recherches au Centre de recherche collaboratif 1083 de la Fondation allemande pour la recherche à Philipps-Universität Marburg, et ce sont les expériences menées ici qui ont conduit à la publication d’aujourd’hui. «Les interfaces semblent au départ ne comporter plus que deux couches côte à côte, alors qu’elles sont en fait le lieu où les fonctions des matériaux naissent. Elles jouent donc un rôle déterminant dans les applications technologiques», explique Ulrich Höfer, professeur de physique expérimentale. à Philipps-Universität Marburg et porte-parole du centre de recherche collaboratif. Dans les cellules solaires organiques, par exemple, la combinaison de différents matériaux à une interface améliore la division des états excités par la lumière incidente, permettant ainsi à l’électricité de circuler. Les interfaces jouent également un rôle clé dans les écrans à diodes électroluminescentes organiques (OLED) utilisés dans les smartphones, par exemple.

L’approche expérimentale utilisée par les scientifiques est basée sur une percée faite il y a quelques années en spectroscopie moléculaire: la tomographie orbitale à photoémission, elle-même basée sur l’effet photoélectrique bien connu. «Ici, une couche de molécules sur une surface métallique est bombardée de photons, ou particules de lumière, qui excite les électrons et les libère», explique le professeur Peter Puschnig de l’Université de Graz. “Ces électrons libérés ne volent pas simplement dans l’espace, mais – et c’est le point décisif – sur la base de leur distribution angulaire et de leur distribution d’énergie, ils fournissent une bonne indication de la distribution spatiale des électrons dans les orbitales moléculaires.”

«Le résultat clé de notre travail est que nous pouvons imager les tomogrammes orbitaux avec une résolution ultra-haute au fil du temps», déclare le Dr Robert Wallauer, chef de groupe et assistant de recherche à Philipps-Universität Marburg. Pour ce faire, les scientifiques ont non seulement utilisé des lasers spéciaux avec des impulsions ultra-courtes de l’ordre de la femtoseconde pour exciter les électrons des molécules; ils ont également utilisé un nouveau microscope à impulsions qui mesurait simultanément la direction et l’énergie des électrons libérés avec une sensibilité très élevée. Une femtoseconde correspond à 10 à 15 secondes – un millionième de milliardième de seconde. Par rapport à une seconde, c’est aussi peu qu’une seconde par rapport à 32 millions d’années. Ces impulsions courtes sont comme une sorte de lumière stroboscopique et peuvent être utilisées pour décomposer des processus rapides en images individuelles. Cela a permis aux chercheurs de tracer le transfert d’électrons comme s’il était au ralenti. «Cela nous a permis de tracer spatialement les voies d’excitation des électrons presque en temps réel», explique Tautz. «Dans notre expérience, un électron a d’abord été excité de son état initial dans une orbitale moléculaire inoccupée par une première impulsion laser avant qu’une seconde impulsion laser lui permette d’atteindre finalement le détecteur. Non seulement nous avons pu observer ce processus en détail au fil du temps, mais les tomogrammes nous ont également permis de tracer clairement la provenance des électrons. “

«Nous pensons que nos découvertes représentent une avancée cruciale vers l’objectif de traçage des électrons par des réactions chimiques dans l’espace et dans le temps», déclare Ulrich Höfer. “Outre les connaissances fondamentales sur les réactions chimiques et les processus de transfert d’électrons, ces résultats auront également des implications très pratiques. Ils ouvrent d’innombrables possibilités pour l’optimisation des interfaces et des nanostructures et des processeurs, capteurs, écrans, cellules solaires organiques et catalyseurs qui en résultent. , et potentiellement même des applications et des technologies auxquelles nous n’avons même pas encore pensé. “

Source de l’histoire:

Matériel fourni par Forschungszentrum Juelich. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

.

Lire plus

A propos Technoguide

Voir aussi

Guide de Valheim – Ou “ Comment chasser le sanglier et le cerf avec succès ”

La première partie de Valheim sera consacrée à la chasse. Les ressources des éliminations constitueront …

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Défiler vers le haut