Les scientifiques capturent une réaction chimique insaisissable à l'aide de X amélioré

Les réactions chimiques impliquent souvent des étapes intermédiaires qui sont trop rapides et complexes pour que nous puissions les voir, même en utilisant nos instruments scientifiques les plus avancés. Il a maintenant été démontré que la combinaison de deux techniques de spectroscopie à rayons X changeait cela.

Par David Krause

Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory ont capturé pour la première fois l'un des mouvements les plus rapides d'une molécule appelée ferricyanure en combinant deux techniques de spectroscopie à rayons X ultrarapides. Ils pensent que leur approche pourrait aider à cartographier des réactions chimiques plus complexes comme le transport de l'oxygène dans les cellules sanguines ou la production d'hydrogène à l'aide de la photosynthèse artificielle.

L'équipe de recherche du SLAC, de Stanford et d'autres institutions a commencé avec ce qui est maintenant une technique assez standard : ils ont zappé un mélange de ferricyanure et d'eau avec un laser ultraviolet et des rayons X brillants générés par le laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS). La lumière ultraviolette a lancé la molécule dans un état excité tandis que les rayons X sondaient les atomes de l'échantillon, révélant les caractéristiques de la structure et du mouvement atomiques et électroniques du ferricyanure.

Ce qui était différent cette fois, c'est la façon dont les chercheurs ont extrait les informations des données radiographiques. Au lieu d'étudier une seule région spectroscopique, connue sous le nom de raie d'émission principale Kβ, l'équipe a capturé et analysé une deuxième région d'émission, appelée valence-to-core, qui a été beaucoup plus difficile à mesurer sur des échelles de temps ultrarapides. La combinaison des informations des deux régions a permis à l'équipe d'obtenir une image détaillée de la molécule de ferricyanure au fur et à mesure qu'elle évoluait vers un état de transition clé.

L'équipe a montré que le ferricyanure entre dans un état excité intermédiaire pendant environ 0,3 picoseconde - soit moins d'un billionième de seconde - après avoir été frappé par un laser UV. Les lectures valence-cœur ont ensuite révélé qu'après cette courte période excitée, le ferricyanure perd l'un de ses "bras" de cyanure moléculaire, appelé ligand. Le ferricyanure remplit alors ce joint manquant avec le même ligand à base de carbone ou, moins probablement, une molécule d'eau.

"Cet échange de ligands est une réaction chimique de base que l'on pensait se produire dans le ferricyanure, mais il n'y avait aucune preuve expérimentale directe des étapes individuelles de ce processus", a déclaré le scientifique et premier auteur du SLAC, Marco Reinhard. "Avec seulement une approche d'analyse de la raie d'émission principale Kβ, nous ne serions pas vraiment en mesure de voir à quoi ressemble la molécule lorsqu'elle passe d'un état à l'autre ; nous obtiendrions seulement une image claire du début du processus."

"Vous voulez être en mesure de reproduire ce que fait la nature pour améliorer la technologie et accroître nos connaissances scientifiques fondamentales", a déclaré Dimosthenis Sokaras, scientifique principal au SLAC. "Et pour mieux reproduire les processus naturels, vous devez connaître toutes les étapes, des plus évidentes à celles qui se produisent dans l'obscurité, pour ainsi dire."

À l'avenir, l'équipe de recherche souhaite étudier des molécules plus complexes, telles que les héméprotéines, qui transportent et stockent l'oxygène dans les globules rouges – mais qui peuvent être difficiles à étudier car les scientifiques ne comprennent pas toutes les étapes intermédiaires de leurs réactions, a déclaré Sokaras.

L'équipe de recherche a affiné sa technique de spectroscopie aux rayons X à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) et au LCLS du SLAC pendant de nombreuses années, puis a combiné toute cette expertise à l'instrument de spectroscopie de corrélation des rayons X (XCS) du LCLS pour capturer les changements structurels moléculaires du ferricyanure. L'équipe a publié ses résultats aujourd'hui dans Nature Communications.

« Nous avons tiré parti à la fois du SSRL et du LCLS pour terminer l'expérience. Nous n'aurions pas pu terminer le développement de notre méthode sans avoir accès aux deux installations et à notre collaboration de longue date », a déclaré Roberto Alonso-Mori, scientifique principal du SLAC. "Pendant des années, nous avons développé ces méthodes à ces deux sources de rayons X, et maintenant nous prévoyons de les utiliser pour découvrir des secrets auparavant inaccessibles de réactions chimiques."

Ce projet a été soutenu en partie par l'Office of Science, Basic Energy Sciences du DOE. LCLS et SSRL sont des installations d'utilisateurs du DOE Office of Science. Un soutien a également été fourni par le programme de biologie moléculaire structurale de SSRL, soutenu par le Bureau de recherche biologique et environnementale du DOE, et par les National Institutes of Health, National Institute of General Medical Sciences.

Citation : M. Reinhard, A. Gallo, et al., Nature Communications, 5 mai 2023 (doi.org/10.1038/s41467-023-37922-x)

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