Dans la nature, la photosynthèse alimente les plantes et les bactéries ; au sein des panneaux solaires, les photovoltaïques transforment la lumière en énergie électrique. Ces processus sont motivés par le mouvement électronique et impliquent le transfert de charge au niveau moléculaire. La redistribution de la densité électronique dans les molécules après l’absorption de la lumière est un phénomène ultrarapide d’une grande importance, impliquant des effets quantiques et la dynamique moléculaire.
Importance des Techniques de Mesure
La capacité de mesurer les dynamiques du transfert d’électrons et de charges avec une résolution temporelle extrême ne fournit pas seulement une compréhension fondamentale des mécanismes physiques derrière ces processus, mais offre également des aperçus uniques sur la façon d’ingénier les propriétés chimiques et structurelles de la molécule pour les contrôler ou les améliorer. Les impulsions ultracourtes d’ultraviolet provenant de sources harmoniques d’ordre supérieur ou d’installations de laser à électrons libres se positionnent comme des outils puissants pour initier et observer la réponse des molécules à la photoionisation, sur des échelles de temps allant de la femtoseconde (10^-15 secondes) à l’attoseconde (10^-18 secondes).
Malgré de nombreuses avancées dans ces techniques, une compréhension détaillée des étapes initiales du transfert d’électrons et de charges après la photoionisation rapide n’est pas encore disponible. Une étude publiée dans Nature Chemistry, menée par des chercheurs du Politecnico di Milano, de l’Institut de Madrid pour les Études Avancées en Nanoscience (IMDEA Nanociencia), ainsi que de l’Université Autonome et de l’Université Complutense de Madrid, dévoile de nouvelles perspectives sur la dynamique ultrarapide des systèmes moléculaires en utilisant des impulsions extrême-ultraviolet d’attosecondes.
Observation des Premiers Stades du Transfert de Charge
Ce travail pionnier fournit une perspective nouvelle sur l’interaction complexe entre les électrons et les noyaux dans les molécules donneuses-acceptatrices, faisant ainsi avancer significativement notre compréhension des processus chimiques au niveau le plus fondamental. En exposant des molécules de nitroaniline à des impulsions d’attosecondes, l’équipe de recherche a pu observer et analyser les premières étapes du transfert de charge avec une précision sans précédent.
Cette étude emploie une combinaison de techniques de pointe, notamment la spectroscopie à impulsions d’attosecondes extrême-ultraviolet / sonde infrarouge de quelques femtosecondes et des calculs avancés en chimie quantique à plusieurs corps, pour capturer la dynamique de ces processus rapides. Les informations temporelles précises sur les différentes étapes du processus de transfert d’électrons et de charges ont été abordées en profondeur.
Les résultats clés de la recherche révèlent que le transfert d’électrons du donneur d’électrons, le groupe amino, se produit en moins de 10 femtosecondes, entraîné par un mouvement synchronisé des noyaux et des électrons. Ce transfert est suivi d’un processus de relaxation qui se déroule sur une échelle de temps sub-30 femtosecondes, alors que le paquet d’onde nucléaire se propage dans les états électroniques excités du cation moléculaire.
Ces découvertes offrent de nouvelles perspectives précieuses sur la façon dont le couplage électron-nucléaire influence les systèmes donneurs-acceptateurs d’électrons en réponse à la photoionisation. Les résultats rapportés dévoilent les temps nécessaires pour transférer une charge d’une unité donneur d’électrons à la liaison chimique adjacente connectant cette unité à un anneau benzénique, ainsi que pour les changements structurels concomitants qui se produisent.
Les auteurs croient que ces résultats expérimentaux et théoriques ouvrent la voie à une meilleure compréhension des diagrammes et des concepts proposés dans les manuels pour prédire qualitativement la migration de charge dans les molécules organiques. Cette étude éclaire non seulement les complexités de la dynamique moléculaire, mais établit également les bases pour la recherche future dans le domaine, vers des avancées tant en compréhension théorique qu’en applications pratiques de la science attoseconde.