Pour la première fois, des chercheurs ont observé comment le bromoforme réorganise ses atomes en moins d’un billionième de seconde après avoir été frappé par une impulsion ultraviolette (UV). La technique d’imagerie a permis de capturer une voie prévue depuis longtemps par laquelle la molécule nocive pour la couche d’ozone transforme sa structure lorsqu’elle interagit avec la lumière.
L’énergie des rayons UV du soleil induit de nombreux processus chimiques sur Terre. Pour comprendre, utiliser ou atténuer les dommages causés par ces réactions chimiques souvent ultrarapides, il est essentiel de comprendre leur fonctionnement au niveau atomique. ” Comment les électrons et les atomes communiquent-ils entre eux pour qu’une certaine réaction chimique se produise ? Bromoform est un système modèle de premier plan pour répondre à ces questions déclare Oliver Gessner, scientifique principal au Laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab).
Depuis des décennies, les chimistes du monde entier étudient la photochimie ultraviolette du bromoforme. Ce composé naturel décompose l’ozone dans l’atmosphère terrestre et est produit naturellement par le phytoplancton et les algues marines des océans. Selon la théorie, il subit deux processus différents sous exposition aux UV : lors de la dissociation, un atome de brome se sépare du reste de la molécule ; Lors de l’isomérisation, les atomes se réorganisent dans une configuration différente ou isomère.
« Certains prétendent avoir observé des signatures de cet isomère, mais cela a été trop éphémère pour être prouvé. a déclaré Gessner, qui dirige le programme de sciences atomiques, moléculaires et optiques de la division des sciences chimiques du laboratoire de Berkeley. De plus, les théories diffèrent considérablement concernant la proportion de bromoforme qui suit chaque voie.
Dans une étude publiée dans le Journal of the American Chemical Society, Gessner et ses collègues ont développé une expérience qui a non seulement confirmé cette formation d’isomères, mais a également déterminé la proportion de molécules bromoformes qui subissent une dissociation et la proportion de molécules qui forment des isomères.
Les chercheurs ont d’abord excité les molécules de bromoforme gazeux avec un éclat ultra-rapide de lumière UV (longueur d’onde de 267 nanomètres), puis ils ont imagé les molécules excitées avec des impulsions électroniques ultra-courtes à l’aide du système de diffraction électronique relativiste ultra-rapide du SLAC National. Laboratoire d’accélérateurs. Cet instrument fait partie de la Source de lumière cohérente Linac du SLAC, une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l’Énergie.
« Les molécules décident en quelques centaines de femtosecondes quelle direction elles vont prendre, il fallait donc être plus rapide que ça », a ajouté M. Gessner.
A partir des images électroniques, les chercheurs ont pu mesurer les distances entre les atomes à l’intérieur des molécules bromoformes et suivre l’évolution de ces distances dans le temps. L’analyse a montré qu’environ 60 % des molécules de bromoforme ont subi une isomérisation au cours des 200 premières femtosecondes (1 femtoseconde = 1/1 000 000 000 000 000 de seconde) d’excitation et que cette isomérisation a persisté pendant toute la durée de l’expérience de 1,1 picoseconde (1 picoseconde est égale à 1000 femtosecondes).
« C’était vraiment excitant de voir exactement la configuration que certains avaient prédite pour cet isomère. », a déclaré M. Gessner. Les 40 % restants du bromoforme ont subi une dissociation directe. Ce résultat constitue une étape importante dans la compréhension de la photochimie du bromoforme et de la photochimie induite par les UV en général.
« La séquence des voies chimiques a un impact sur les produits chimiques finaux », et encore M. Gessner.
La mesure de référence d’un taux de formation d’isomères longtemps débattu permet d’affiner les théories qui prédisent ces réactions et leurs produits. De plus, l’étude démontre que la technique ultrarapide apporte des réponses claires aux questions concernant la vitesse de population des isomères et leur durée de vie. Selon M. Gessner, il s’agit d’un outil très puissant.
Légende de l’illustration : Une voie ultrarapide prévue depuis longtemps dans la photochimie UV du bromoforme est visualisée pour la première fois par diffraction électronique femtoseconde résolue en temps. Crédits : Melody Li, Debadarshini Mishra et Lars Hoffmann
Article : « Voies de réaction induites par les UV dans le bromoforme sondé par diffraction électronique ultrarapide » – DOI : 10.1021/jacs.4c07165
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