Au cœur de la conversion d’énergie, les électrons et les protons se déplacent dans une danse complexe et coordonnée. Des chimistes de Yale et de Suède disent qu’ils ont peut-être appris les étapes d’une nouvelle rumba photochimique.
La découverte, publiée dans la revue La science, pourrait fournir des informations sur la manière dont le monde naturel convertit l’énergie solaire en carburant, comme dans la photosynthèse. Cette connaissance peut aider à la conception de nouvelles technologies d’énergie solaire et de cellules solaires.
« Bien qu’il soit rare de découvrir un nouveau type de mécanisme fondamental, ce système moléculaire a été amorcé pour révéler un comportement aussi intrigant », a déclaré Sharon Hammes-Schiffer, professeur de chimie Sterling à Yale. « Ce travail n’a été possible que grâce à une forte collaboration entre la théorie et l’expérience. »
Hammes-Schiffer est co-auteur correspondant de l’étude, avec James Mayer, professeur de chimie Charlotte Fitch Roberts à Yale, et Leif Hammarström, professeur de chimie à l’Université d’Uppsala, en Suède.
La nouvelle étude étend les travaux antérieurs des chercheurs, dans lesquels ils ont découvert que certaines molécules, lorsqu’elles sont irradiées, peuvent présenter un effet connu sous le nom de région inversée de Marcus (MIR). Dans le MIR, une réaction de transfert d’électrons, étonnamment, ralentit à mesure qu’elle devient énergétiquement plus favorable. L’effet MIR est considéré comme essentiel à l’efficacité de la photosynthèse, disent les scientifiques, car il ralentit les processus énergétiques qui sont un gaspillage. Les travaux précédents ont révélé le comportement MIR pour ce qu’ils décrivent comme une réaction de transfert d’électrons couplés au proton (PCET).
Cependant, les chercheurs ont également noté que certaines des molécules qu’ils ont étudiées ne présentaient pas de MIR. Ils soupçonnaient qu’il pourrait y avoir un processus photochimique séparé, jusqu’ici inconnu, à l’œuvre. Les calculs du groupe de Hammes-Schiffer ont suggéré un mécanisme concurrent dans lequel le transfert d’énergie électronique et le transfert de protons sont « couplés ».
Et c’est, en effet, ce que l’équipe a trouvé dans la nouvelle étude.
Dans une série d’expériences photochimiques, les chercheurs ont dissous des molécules à très basse température (77 degrés K ou -321 F) dans un type de verre qui a isolé le nouveau mécanisme. Après avoir illuminé les molécules froides avec de la lumière, l’équipe a observé la fluorescence associée au nouveau mécanisme, qu’ils appellent le transfert d’énergie couplé aux protons (PCEnT).
Au cours de la PCEnT, l’énergie de la photoexcitation dans un fragment d’une molécule est transférée à un second fragment situé dans la molécule. Ce transfert d’énergie n’implique pas de transfert d’électrons entre les deux fragments ; il est couplé à un transfert de proton se produisant au sein du deuxième fragment. Ainsi, le processus n’est pas PCET, qui implique un transfert d’électrons, mais plutôt PCEnT, qui implique un transfert d’énergie.
« Les transferts d’énergie électronique entre molécules ou parties de molécules sont connus depuis longtemps et sont importants dans de nombreux processus axés sur la lumière », a déclaré Mayer. « PCEnT semble être le premier exemple de transfert d’énergie photochimique couplé au mouvement d’un atome ou d’un noyau. »
Les co-premiers auteurs de l’étude sont Zhen Tao de Yale et Belinda Pettersson Rimgard de l’Université d’Uppsala. Les autres auteurs sont l’étudiante diplômée Laura Cotter de Yale et l’ancienne boursière postdoctorale de Yale Giovanny Parada.
Belinda Pettersson Rimgard et al, Transfert d’énergie couplé aux protons dans les triades moléculaires, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abq5173