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Avec la chimie ultrafroide, les chercheurs découvrent d’abord ce qui se passe exactement lors d’une réaction chimique – Newstrotteur

La réaction chimique la plus froide de l'univers connu a eu lieu dans ce qui semble être un désordre chaotique de lasers. L’apparence est trompeuse: au plus profond de ce chaos minutieusement organisé, à des températures des millions de fois plus froides que l’espace interstellaire, Kang-Kuen Ni a réussi un exploit de précision. Forçant deux molécules ultra-froides à se rencontrer et à réagir, elle a rompu et formé les liaisons les plus froides de l’histoire des couplages moléculaires.

"Probablement dans les prochaines années, nous serons le seul laboratoire capable de le faire", a déclaré Ming-Guang Hu, chercheur postdoctoral au Ni Lab et premier auteur de leur article publié aujourd'hui dans Science. Il y a cinq ans, Ni, professeur agrégé de chimie et de biologie chimique à Morris Kahn et pionnier de la chimie ultra-froide, a décidé de construire un nouvel appareil capable de réaliser les réactions chimiques aux températures les plus basses de toutes les technologies actuellement disponibles. Mais ils ne pouvaient pas être sûrs que leur ingénierie complexe fonctionnerait.

Maintenant, ils ont non seulement effectué la réaction la plus froide à ce jour, mais ils ont découvert que leur nouvel appareil pouvait faire quelque chose qu’ils n’avaient pas prédit. Dans un tel froid intense – 500 nanokelvins ou quelques millions de degrés au-dessus du zéro absolu – leurs molécules ont ralenti à des vitesses aussi glaciales, Ni et son équipe ont pu voir quelque chose que personne ne pouvait voir auparavant: le moment où deux molécules se rencontrer pour former deux nouvelles molécules. En substance, ils ont capturé une réaction chimique dans l'acte le plus critique et le plus insaisissable.

Les réactions chimiques sont responsables de presque tout: respirer, cuisiner, digérer, créer de l'énergie, des produits pharmaceutiques et des produits ménagers tels que le savon. Ainsi, comprendre leur fonctionnement à un niveau fondamental pourrait aider les chercheurs à concevoir des combinaisons jamais vues auparavant. Avec un nombre presque infini de nouvelles combinaisons possibles, ces nouvelles molécules pourraient avoir des applications infinies allant d'une production d'énergie plus efficace à de nouveaux matériaux tels que des murs anti-moisissures et des blocs de construction encore meilleurs pour les ordinateurs quantiques.

Dans ses travaux précédents, Ni utilisait des températures de plus en plus froides pour opérer cette magie chimique: forger des molécules à partir d'atomes qui autrement ne réagiraient jamais. Refroidis à de tels extrêmes, les atomes et les molécules ralentissent jusqu'à atteindre une exploration quantique, leur énergie la plus basse possible. Là, Ni peut manipuler les interactions moléculaires avec la plus grande précision. Mais même elle ne pouvait voir que le début de ses réactions: deux molécules entrent en jeu, mais alors quoi? Ce qui s’est passé au milieu et à la fin était un trou noir que seules des théories pourraient essayer d’expliquer.

Les réactions chimiques se produisent en quelques millionièmes de milliardième de seconde, mieux connues dans le monde scientifique sous le nom de femtosecondes. Même la technologie la plus sophistiquée d’aujourd’hui ne permet pas de saisir quelque chose d’aussi brève durée, bien que certains soient proches. Au cours des vingt dernières années, les scientifiques ont utilisé des lasers ultrarapides, tels que des caméras à action rapide, pour capturer des images rapides des réactions qui se produisaient. Mais ils ne peuvent pas capturer la totalité de l'image. "La plupart du temps," dit Ni, "vous voyez juste que les réactifs disparaissent et que les produits apparaissent à un moment que vous pouvez mesurer. Il n'y avait aucune mesure directe de ce qui s'est réellement passé dans ces réactions chimiques." Jusqu'à maintenant.

Les températures ultra-froides de Ni forcent les réactions à une vitesse relativement réduite. "Parce que [les molécules] sont si froides", a déclaré Ni, "maintenant nous avons en quelque sorte un effet de goulot d'étranglement." Quand elle et son équipe ont fait réagir deux molécules de potassium rubidium – choisies pour leur souplesse – les températures ultra froides ont forcé les molécules à s'attarder dans la phase intermédiaire pendant quelques microsecondes. Les microsecondes – quelques millions de secondes – peuvent sembler courtes, mais elles sont des millions de fois plus longues que d'habitude et suffisamment longues pour permettre à Ni et à son équipe d'étudier la phase de rupture et de formation des liaisons, où une molécule se transforme en une autre.

Avec cette vision intime, Ni a déclaré qu'elle et son équipe pouvaient tester des théories qui prédisent ce qui se passe dans le trou noir d'une réaction pour confirmer si elles ont bien compris. Son équipe peut ensuite élaborer de nouvelles théories, en utilisant les données réelles pour prédire plus précisément ce qui se passe lors d'autres réactions chimiques, même celles se déroulant dans le mystérieux domaine quantique.

L'équipe explore déjà ce qu'elle peut encore apprendre sur son banc d'essai ultra-froid. Ensuite, par exemple, ils pourraient manipuler les réactifs, en les excitant avant de réagir pour voir comment leur énergie accrue influe sur le résultat. Ou bien, ils pourraient même influencer la réaction lorsqu'elle se produit, poussant l'une ou l'autre molécule vers le bas. "Avec notre contrôlabilité, cette fenêtre temporelle est suffisamment longue, nous pouvons sonder", a déclaré Hu. "Maintenant, avec cet appareil, nous pouvons y penser. Sans cette technique, sans ce papier, nous ne pourrions même pas y penser."

Source de l'histoire:

Matériaux fourni par Université de Harvard. Original écrit par Caitlin McDermott-Murphy. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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