Dans les laboratoires du Pacific Northwest National Laboratory et du centre d'accélération SLAC, des scientifiques ont pour la première fois obtenu des images moléculaires de la façon dont l'eau se restructure autour d'une molécule lors d'une réaction chimique clé. La lumière déclenche un transfert simultané d'électron et de proton, et l'eau environnante change instantanément de structure pour soutenir ce processus.
La réaction, connue sous le nom de transfert d'électron couplé à un proton, est à la base de la photosynthèse, du fonctionnement des piles à combustible et de nombreux processus catalytiques. La molécule absorbe un photon, l'électron se redistribue et le proton se fixe à un site spécifique. Jusqu'à présent, personne n'avait pu observer tous ces changements simultanément avec une précision atomique.
Les chercheurs ont utilisé une combinaison de techniques à rayons X : la spectroscopie d'absorption pour suivre les mouvements des électrons et la diffusion des rayons X pour enregistrer la restructuration des atomes d'eau. Les expériences ont été menées à la source de lumière cohérente Linac au SLAC, où des impulsions ultra-courtes ont permis de « figer » les événements à l'échelle de la picoseconde.
Un complexe de ruthénium a été choisi comme modèle, car il ne complique pas les signaux par des restructurations superflues. Les calculs théoriques et la modélisation de la dynamique moléculaire ont aidé à déchiffrer les données obtenues et à relier les changements locaux de la structure électronique à la restructuration globale du réseau d'eau.
Les résultats ouvrent la voie à la création de catalyseurs plus efficaces, de batteries à flux et de dispositifs de conversion d'énergie. Comprendre comment le milieu solvant influence le transfert de charges permettra aux ingénieurs de mieux contrôler ces processus dans des systèmes réels.
Les scientifiques notent que l'observation directe du proton n'est pas encore possible, mais la concordance entre l'expérience et les calculs fournit une image fiable. La nouvelle méthode est déjà prête à être appliquée à des réactions biologiques et technologiques plus complexes.
Cette observation montre à quel point la molécule et son environnement aqueux agissent comme un tout, et ouvre de nouveaux horizons pour l'étude des transformations chimiques fondamentales.
