Couinantes, nuageuses ou sphériques, les orbitales d’électrons montrent où et comment les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques et des molécules. En chimie et en physique modernes, ils se sont avérés être un modèle utile pour la description mécanique quantique et la prédiction des réactions chimiques. Ce n’est que si les orbitales correspondent dans l’espace et l’énergie qu’elles peuvent être combinées – c’est ce qui se passe lorsque deux substances réagissent chimiquement l’une avec l’autre. De plus, une autre condition doit être remplie, comme l’ont découvert des chercheurs du Forschungszentrum Jülich et de l’Université de Graz : le déroulement des réactions chimiques semble également dépendre de la distribution orbitale dans l’espace des impulsions. Les résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature.
Les réactions chimiques ne sont finalement rien de plus que la formation et la rupture de liaisons électroniques, qui peuvent également être décrites comme des orbitales. La théorie dite des orbitales moléculaires permet ainsi de prédire le cheminement des réactions chimiques. Les chimistes Kenichi Fukui et Roald Hoffmann ont reçu le prix Nobel en 1981 pour avoir considérablement simplifié la méthode, ce qui a conduit à son utilisation et à son application généralisées.
« Habituellement, l’énergie et la localisation des électrons sont analysées. Cependant, en utilisant la méthode de tomographie par photoémission, nous avons examiné la distribution en impulsion des orbitales », explique le Dr Serguei Soubatch. Avec ses collègues de l’Institut Peter Grünberg (PGI-3) à Jülich et de l’Université de Graz en Autriche, il a adsorbé divers types de molécules sur des surfaces métalliques dans une série d’expériences et a cartographié l’impulsion mesurée dans ce que l’on appelle l’espace de l’impulsion. .
« La photoémission de nombreuses molécules différentes sur les métaux que nous mesurons peut également être prédite théoriquement. Comme modèle, on utilise simplement la molécule libre qui n’interagit pas avec le métal. Mais lorsque nous avons mesuré les oligophényles sur le cuivre, nous avons soudainement réalisé que le résultat expérimental différaient considérablement des prédictions théoriques. Certaines parties de l’espace dynamique sont restées inoccupées », a déclaré Soubatch. Ces régions d’impulsion correspondent aux bandes interdites connues des états électroniques qui se produisent généralement dans les métaux nobles. Et l’un des matériaux concernés, le cuivre, est aussi un métal si noble.
Pour ce travail, les chercheurs ont mené des expériences au synchrotron Elettra à Trieste, en Italie. Là, un consortium international dirigé par Forschungszentrum Jülich exploite le spectroscope NanoESCA sur une ligne de lumière, qui contient un microscope électronique à photoémission pour les mesures tomographiques orbitales. Le travail a été réalisé en collaboration avec le professeur Michael. G. Ramsey et le théoricien Prof. Peter Puschnig de l’Université de Graz. Avec ses simulations de mécanique quantique pour l’ensemble du système en interaction – molécules et surface métallique, Peter Puschnig a fourni la clé pour expliquer le critère de sélection nouvellement découvert.
Xiaosheng Yang et al, Hybridation orbitale sélective Momentum, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-32643-z