Les chercheurs Heide Ibrahim et François Légaré. Image: INRS/Josée Lecompte
Des chercheurs ont capté des réactions chimiques à l’échelle moléculaire et, qui plus est, en temps réel, révélant ainsi les trajectoires itinérantes de certains fragments de molécules.
Générique d’introduction.
À la suite d’une dispute, un étudiant quitte ses trois amis. Après une certaine période d’errance, il retourne auprès du groupe, mais il le retrouve séparé. Il se lie avec l’un de ses copains pendant que les deux autres partent de leur côté.
Générique de fin.
Si ce petit résumé de film ne semble pas annoncer une superproduction à succès, il est pourtant inspiré d’une histoire vraie, qui s’est déroulée des millions de fois dans un labo. Une histoire moléculaire…
Sur sa page LinkedIn, la chercheuse Heide Ibrahim s’autoproclame « cinéaste moléculaire ». « Je travaille sur des moyens d’observer des réactions chimiques d’un point de vue moléculaire en temps réel », explique l’associée de recherche au Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS). Des événements qui se déroulent dans l’infiniment petit, bien sûr, mais aussi sur des durées infiniment courtes ; de l’ordre de la femtoseconde, soit un millionième de milliardième de seconde. Les capter représente tout un défi.
Ce défi, le groupe international de recherche supervisé par la docteure Ibrahim l’a relevé. « Nous avons concentré nos travaux sur une réaction simple : celle de la photodissociation du formaldéhyde », précise le coauteur François Légaré, responsable du Laboratoire de sources femtosecondes de l’INRS. Le formaldéhyde est une petite molécule formée de quatre atomes qui éclate lorsqu’on l’atteint avec une impulsion laser très brève, mais très puissante.
Au départ, le formaldéhyde est constitué au centre d’un atome de carbone entouré de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, qui forment une hélice à trois pales. Après dissociation, on obtient une molécule de dihydrogène (H2) et un radical composé d’un atome d’oxygène et d’un autre de carbone. « Classiquement, le réarrangement des atomes se fait de façon assez directe, en passant par des états exigeant le moins d’énergie possible, indique Heide Ibrahim. Or, en 2004, il a été découvert que le chemin de la réaction peut être différent : un atome d’hydrogène peut se détacher de la molécule et errer un certain temps dans les parages avant de s’associer à l’autre atome d’hydrogène et de terminer la réaction. » Dans le jargon de la chimie physique, ce phénomène est baptisé itinérance (ou roaming en anglais).
Cependant, cette itinérance n’avait été découverte qu’en analysant certaines propriétés des produits finaux ; elle n’avait jamais été captée sur le vif. Du moins jusqu’à maintenant… « C’est la même chose qu’avec des étoiles filantes, enchaîne François Légaré ; on ne sait jamais quand ni où ça se produira, donc bonne chance pour en filmer une ! »
« C’est un peu comme une descente en ski alpin, poursuit le chercheur, jamais à court de métaphores. La réaction chimique habituelle, c’est une descente directe, mais de temps en temps, un skieur décide de faire un détour par les sous-bois. On a placé des détecteurs dans les arbres pour déclencher la capture d’image à leur passage. »
Concrètement, dans une petite chambre sous vide, un fin jet de formaldéhyde était envoyé, et des impulsions ultrabrèves de laser ultraviolet (UV) servaient de déclencheurs de réaction quelques millions de fois par seconde. Un capteur 2D, comparable au capteur photographique CCD d’un appareil photo numérique, permettait de récolter les fragments résultant de l’éclatement des molécules. «Selon l’endroit où les fragments ont atterri sur le capteur et le temps qu’il a fallu pour qu’ils l’atteignent, on a pu mesurer leur vitesse et déduire quels étaient ceux qui provenaient d’une même molécule», détaille Heide Ibrahim. Ce n’est pas un film direct, mais les chercheurs avaient toutes les informations pour reconstituer les événements d’itinérance. Les résultats ont été publiés dans la revue Science en novembre 2020.
« Nous avons mis l’accent sur la réaction de dissociation du formaldéhyde, souligne la chercheuse, mais l’itinérance a été détectée dans de nombreuses autres réactions ; notamment dans l’atmosphère, où elle semble impliquée dans l’apparition de molécules polluantes. On commence à peine à comprendre son importance. »
Le film ne fait que commencer…
Ont aussi participé à cette découverte : Tomoyuki Endo, Vincent Wanie, Samuel Beaulieu, Jude Deschamps et Philippe Lassonde (INRS) ; et des chercheurs canadiens, japonais, américains et de l’entreprise Few-Cycle de Montréal.
L’avis du jury
Ces chercheurs « cinéastes » ont déployé tout leur talent et leur arsenal pour sortir les réactions chimiques de l’ombre. Le résultat est fascinant. Cette prouesse ouvre la porte à une compréhension plus fine du processus d’itinérance, mais elle pourrait aussi se révéler utile en chimie industrielle ou atmosphérique.