Les scientifiques ont fait des progrès significatifs dans l’observation des réactions chimiques microscopiques. Des chercheurs de plusieurs instituts de recherche, dont l'installation européenne de laser à électrons libres à rayons X (European
Quelques billions de secondes après l’absorption d’un photon, la molécule subit rapidement une flexion structurelle, un transfert de charge et la conversion de l’énergie électronique en vibrations moléculaires. Ce processus étant extrêmement court, il est difficile pour les méthodes expérimentales traditionnelles de capturer des détails clairs. Les chercheurs ont choisi la petite molécule cyclique 3-fluoropyridine comme objet de recherche et ont utilisé les atomes d'azote et de fluor qu'elle contient comme deux points d'observation indépendants. Dans l'expérience, les chercheurs ont d'abord utilisé un faisceau laser à impulsions ultraviolettes extrêmement courtes pour exciter les molécules jusqu'à l'état d'excitation électronique, puis ont utilisé l'impulsion de rayons X ultraviolets extrêmes générée par le XFEL européen pour éliminer les électrons du noyau dans les couches profondes d'atomes spécifiques, et ont mesuré avec précision les changements d'énergie absorbés par ces électrons, ce qui est la technologie de spectroscopie photoélectronique à rayons X à résolution temporelle (tr-XPS).
Les résultats expérimentaux montrent que différents atomes au sein d'une même molécule enregistrent des informations complètement différentes au cours du processus de réaction : les atomes d'azote participant au processus d'excitation initial peuvent refléter plus clairement la dynamique mixte du transfert de charge et des changements structurels au sein de la molécule ; tandis que les atomes de fluor servent principalement d'indicateurs du processus de « relaxation vibratoire » de la molécule, montrant comment l'énergie excédentaire est redistribuée dans toute la structure moléculaire. La recherche a également montré que l’excitation optique peut augmenter la sensibilité d’atomes spécifiques au mouvement de leurs atomes voisins.
En combinant ces données de mesure microscopiques avec des simulations numériques avancées, l’équipe de recherche a réussi à reconstruire l’ensemble du processus de la molécule passant de l’état excité à « l’intersection du cône » (la région critique où l’état électronique et le mouvement nucléaire sont étroitement couplés) pour finalement revenir à l’état fondamental. Cette percée prouve non seulement que les impulsions de rayons X ultrarapides peuvent distinguer une dynamique électronique et des mouvements structurels presque simultanés, mais prouve également les avantages uniques de l'observation collaborative multi-sites dans l'interprétation de réactions photochimiques complexes. À l’avenir, cette méthode devrait être étendue à l’étude des mécanismes microscopiques de macromolécules biologiques plus complexes, de matériaux organiques fonctionnels et de matériaux de conversion de l’énergie solaire.