Résumé :
Une réaction chimique fondamentale qui soutient la photosynthèse, le métabolisme et de nombreux processus de conversion d'énergie a récemment été entièrement capturée par les scientifiques avec une précision sans précédent. Pour la première fois, les chercheurs ont observé simultanément des changements dans la structure électronique à l’intérieur de la molécule et le processus de réorganisation du réseau moléculaire de l’eau environnante, offrant ainsi une nouvelle perspective sur la compréhension des mécanismes de réaction clés dans les systèmes vitaux et énergétiques.
Cette recherche a été réalisée par le Pacific Northwest National Laboratory aux États-Unis, le Stanford Linear Accelerator Center et un certain nombre d'institutions de recherche scientifique. Les résultats de la recherche montrent que lorsqu'une réaction de transfert d'énergie importante se produit, les molécules participant à la réaction et l'environnement solvant environnant ne changent pas indépendamment, mais évoluent ensemble de manière hautement couplée.
L'objet de recherche est un procédé appelé "transfert d'électrons couplé à des protons" (PCET). Dans cette réaction, les protons chargés positivement et les électrons chargés négativement se déplacent simultanément, complétant ainsi le transfert d’énergie. De nombreuses activités biochimiques clés dans la nature dépendent de ce mécanisme, notamment l'utilisation de la lumière solaire par les plantes pour la photosynthèse et les processus métaboliques par lesquels les organismes convertissent la nourriture en énergie.
Les scientifiques affirment que le mouvement coordonné des protons et des électrons peut aider les molécules à contourner certaines étapes intermédiaires consommatrices d'énergie, rendant ainsi les réactions chimiques plus rapides et plus efficaces. Outre les activités vitales, des mécanismes similaires sont également largement présents dans les technologies énergétiques telles que les catalyseurs, les piles à combustible et les batteries à flux.
Cependant, cette réaction a longtemps été difficile à observer directement.
Les électrons se déplacent extrêmement rapidement et les protons se déplacent à des vitesses très similaires. Dans le même temps, le réseau de molécules d’eau autour des molécules en réaction continuera à se réorganiser dans le même laps de temps extrêmement court. Des expériences antérieures ont permis de capturer certains de ces processus, mais n'ont pas pu enregistrer simultanément le lien entre les modifications des électrons et les modifications de l'environnement du solvant.
Afin de résoudre ce problème, l'équipe de recherche a utilisé le dispositif laser à électrons libres Linac Coherent Light Source du Stanford Linear Accelerator Center aux États-Unis pour observer l'ensemble du processus de réaction grâce à deux technologies complémentaires de rayons X ultrarapides.
Dans cette expérience, les chercheurs ont d'abord utilisé la lumière pour exciter un système moléculaire spécial, puis ont utilisé en continu les rayons X pour détecter ses changements structurels en très peu de temps. Parallèlement, l’équipe de recherche a également combiné des calculs de chimie quantique et des simulations de dynamique moléculaire pour analyser et reconstruire les données expérimentales.
Les résultats finaux montrent que lorsqu'une molécule acquiert un proton, sa distribution électronique interne change de manière significative à des positions spécifiques, et le réseau environnant de molécules d'eau qui étaient initialement disposées de manière stable sera également réorganisé simultanément. En d’autres termes, les changements dans les molécules elles-mêmes se produisent simultanément avec les changements dans l’environnement, plutôt qu’indépendamment les uns des autres.
Elisa Biasin, l'une des responsables du projet, a déclaré que c'est la première fois que les scientifiques observent directement comment les changements dans la structure électronique associés au transfert de protons sont couplés à la réorganisation de l'environnement solvant environnant. Ce résultat fournit une nouvelle méthode de recherche pour comprendre comment les molécules et l’environnement co-évoluent.
Afin de simplifier l'analyse, l'équipe de recherche a choisi un système moléculaire photosensible avec le ruthénium comme noyau comme objet de recherche. Ce système peut séparer le transfert d'électrons, le transfert de protons et les changements de l'environnement aquatique pour éviter les interférences causées par des processus chimiques complexes.
Bien que l'expérience ne puisse pas capturer directement la trajectoire de mouvement du proton lui-même, les chercheurs peuvent néanmoins reconstruire l'intégralité du processus de réaction grâce à des modifications de la structure électronique et de l'arrangement atomique environnant.
Les chercheurs pensent que ce résultat aidera non seulement à expliquer le mécanisme de conversion d'énergie dans la nature, mais pourrait également promouvoir le développement de la prochaine génération de technologies énergétiques. En acquérant une compréhension plus approfondie de la manière dont les protons et les électrons se transmettent ensemble, les scientifiques pourront peut-être concevoir à l'avenir des catalyseurs, des piles à combustible et des systèmes de stockage d'énergie plus efficaces.
Avec la mise en service progressive de la nouvelle génération d'installations laser à électrons libres LCLS-II, l'équipe de recherche espère pouvoir observer à l'avenir des processus de réaction chimique plus complexes avec une résolution temporelle plus élevée, et même étudier directement les étapes clés du transfert d'énergie dans les systèmes de photosynthèse réels.
Les initiés de l'industrie ont souligné que l'importance de cette réussite réside non seulement dans l'observation d'une réaction spécifique, mais également dans l'établissement d'une nouvelle méthode d'observation. Dans le passé, les scientifiques ne pouvaient généralement étudier que séparément les changements électroniques ou les changements de structure moléculaire, mais ils peuvent désormais observer simultanément la coévolution du centre de réaction et de l’environnement environnant, ce qui ouvre une nouvelle fenêtre pour de futures recherches sur les processus vitaux et les mécanismes de conversion d’énergie.
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