Publié le 17 janvier 2026 21:54:00. Des chercheurs de Shanghai ont mis au point une technique d’imagerie révolutionnaire permettant d’observer en temps réel les réactions chimiques au niveau atomique, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la conception de matériaux et de processus chimiques plus efficaces.
- Une nouvelle technique, la diffraction électronique ultrarapide (UED), permet de visualiser le mouvement des électrons et des noyaux lors de la rupture d’une liaison chimique.
- L’équipe de recherche a pu observer simultanément les interactions entre les électrons, les noyaux et leur combinaison.
- Cette avancée pourrait conduire à des améliorations significatives dans des domaines tels que la catalyse, la science des matériaux, l’agriculture et la pharmacologie.
Pendant des décennies, la chimie a décrit les réactions moléculaires comme une succession d’étapes : des molécules se rencontrent, des liaisons se brisent, de nouvelles se forment, et des produits apparaissent. Mais le mécanisme précis de ces transformations, se déroulant en des temps infimes – de l’ordre de la femtoseconde (10-15 seconde) – restait un mystère. Pour donner une idée de l’échelle de temps, la lumière met quelques attosecondes (10-18 seconde) pour traverser un atome. Ces instants fugaces, certains les considèrent comme les « battements de cœur du monde quantique ».
Des scientifiques de l’Institut Jiao Tong de Shanghai ont franchi une étape décisive en développant une méthode capable de capturer des images des électrons et des noyaux en mouvement pendant une réaction chimique. Leurs résultats ont été publiés sur arXiv. Ce qui distingue cette recherche, ce n’est pas seulement la précision de l’imagerie, mais aussi la possibilité d’observer les deux éléments clés de la chimie : les électrons, formant un « nuage » qui détermine les attractions et les répulsions entre atomes, et les noyaux, qui constituent le squelette de chaque molécule.
Pour parvenir à cette prouesse, l’équipe dirigée par Dao Xiang a utilisé la diffraction électronique ultrarapide (UED). La technique consiste à exciter des molécules d’ammoniac (NH₃) avec une impulsion laser de 200 nanomètres. Cette excitation rend la molécule plus réactive, initiant un mouvement structurel : elle s’ouvre, à l’image d’un parapluie, et une de ses liaisons commence à se rompre. Ensuite, une impulsion d’électrons de très haute énergie (MeV) est dirigée vers ces molécules excitées. Les électrons de la sonde interagissent avec les champs électriques générés par les noyaux et les électrons de la molécule, se dispersant au passage. En analysant la manière dont ils se dispersent, les chercheurs peuvent « figer » la position des particules à un instant précis.
L’innovation majeure réside dans l’analyse de ces données. Grâce à une technique appelée Fonction de Distribution de Paires de Charges (CPDF), l’équipe de Xiang a pu séparer et visualiser pour la première fois trois types de dynamiques simultanées : les interactions entre les électrons, entre les noyaux, et entre les électrons et les noyaux. Ils peuvent ainsi observer comment la densité électronique évolue et comment les noyaux réagissent en temps réel.
« La recherche sur la dynamique électronique revêt une importance considérable pour faire progresser la physique fondamentale, la science des matériaux et la chimie appliquée »,
Dao Xiang, directeur de l’équipe de recherche
Cette avancée permet de suivre le mouvement des électrons de valence et de l’hydrogène lors de la rupture d’une liaison, un phénomène qui jusqu’à présent ne pouvait être étudié que par des calculs ou des modèles théoriques. En comprenant la chimie à sa « vraie » vitesse – de nombreuses réactions se déroulant en quelques femtosecondes ou moins – il devient possible de comprendre pourquoi certains produits se forment et d’autres non.
Pour illustrer l’impact de cette découverte, on pourrait dire que la physique établit les lois fondamentales, la chimie fournit les ingrédients et l’énergie, et maintenant, pour la première fois, nous pouvons observer ce qui se passe à l’intérieur du « four ». Cette capacité d’observation ouvre la voie à la conception de catalyseurs plus performants, à la création de matériaux aux propriétés quantiques contrôlées, et à l’amélioration de la prédiction des réactions chimiques. Cette imagerie pourrait ainsi affiner les processus dans des domaines aussi variés que l’agriculture, l’énergie et la pharmacologie.
Les chercheurs espèrent que cette technique permettra de mieux comprendre les mécanismes réactionnels complexes et de développer de nouvelles stratégies pour la synthèse chimique et la conception de matériaux innovants. Une interview avec Dao Xiang détaille les perspectives offertes par cette avancée.