La mécanique quantique permet aux particules, en raison de leurs propriétés ondulatoires mécaniques quantiques, de franchir la barrière énergétique (paroi) et une réaction se produit. Crédit : Universität Innsbruck/Harald Ritsch
Percée dans la modélisation des réactions tunnel en chimie moléculaire.
Les réactions tunnel en chimie sont très difficiles à prévoir. La description mécanique quantique exacte des réactions chimiques avec plus de trois particules est difficile, avec plus de quatre particules, c’est presque impossible. Les théoriciens simulent ces réactions avec la physique classique et doivent négliger les effets quantiques. Mais où est la limite de cette description classique des réactions chimiques, qui ne peut fournir que des approximations ?
Roland Wester du Département de physique ionique et de physique appliquée de l’Université Université d’Innsbruck a longtemps voulu explorer cette frontière. « Cela nécessite une expérience qui permet des mesures très précises et qui peut encore être décrite par la mécanique quantique », explique le physicien expérimentateur. « L’idée m’est venue il y a 15 ans lors d’une conversation avec un collègue lors d’une conférence aux États-Unis », se souvient Wester. Il voulait tracer l’effet tunnel de la mécanique quantique dans une réaction très simple.
L’effet tunnel rendant la réaction très improbable et donc lente, son observation expérimentale était extraordinairement difficile. Après plusieurs tentatives, cependant, l’équipe de Wester a maintenant réussi à faire exactement cela pour la première fois, comme ils le rapportent dans le numéro actuel de la revue Nature.
Percée après 15 ans de recherche
L’équipe de Roland Wester a choisi l’hydrogène – l’élément le plus simple de l’univers – pour son expérience. Ils ont introduit du deutérium – un isotope de l’hydrogène – dans un piège à ions, l’ont refroidi puis ont rempli le piège d’hydrogène gazeux. En raison des températures très basses, les ions deutérium chargés négativement manquent d’énergie pour réagir avec les molécules d’hydrogène de la manière conventionnelle. Dans de très rares cas, cependant, une réaction se produit lorsque les deux entrent en collision.
Ceci est dû à l’effet tunnel : « La mécanique quantique permet aux particules de franchir la barrière énergétique grâce à leurs propriétés d’onde mécanique quantique, et une réaction se produit », explique le premier auteur de l’étude, Robert Wild. « Dans notre expérience, nous donnons environ 15 minutes aux réactions possibles dans le piège, puis nous déterminons la quantité d’ions hydrogène formés. De leur nombre, nous pouvons déduire la fréquence à laquelle une réaction s’est produite.
En 2018, les physiciens théoriciens avaient calculé que dans ce système, l’effet tunnel quantique ne se produit que dans une collision sur cent milliards. Cela correspond de très près aux résultats actuellement mesurés à Innsbruck et, après 15 ans de recherche, confirme pour la première fois un modèle théorique précis de l’effet tunnel dans une réaction chimique.
Fondation pour une meilleure compréhension
Il existe d’autres réactions chimiques qui pourraient exploiter l’effet tunnel. Pour la première fois, une mesure est maintenant disponible qui est également bien comprise dans la théorie scientifique. Sur cette base, la recherche peut développer des modèles théoriques plus simples pour les réactions chimiques et les tester sur la réaction qui a maintenant été démontrée avec succès.
L’effet tunnel est utilisé, par exemple, dans le microscope à effet tunnel et dans les mémoires flash. L’effet tunnel est également utilisé pour expliquer la désintégration alpha des noyaux atomiques. En incluant l’effet tunnel, certaines synthèses astrochimiques de molécules dans les nuages sombres interstellaires peuvent également être expliquées. L’expérience de l’équipe de Wester jette ainsi les bases d’une meilleure compréhension de nombreuses réactions chimiques.
Référence : « Tunneling measure in a very slow ion-molecule reaction » par Robert Wild, Markus Nötzold, Malcolm Simpson, Thuy Dung Tran et Roland Wester, 1er mars 2023, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-05727-z
La recherche a été soutenue financièrement par le Fonds scientifique autrichien FWF et l’Union européenne, entre autres.
