Des chercheurs de l'Ohio State University et de la Louisiana State University ont mis au point une technique pour observer les interactions moléculaires ultraf rapides dans les liquides en utilisant la spectroscopie des harmoniques élevées. Dans une expérience surprenante avec du fluorobenzène et du méthanol, ils ont découvert un lien hydrogène subtil qui supprime l'émission de lumière. Cette avancée, publiée dans PNAS, ouvre de nouvelles perspectives sur la dynamique des liquides essentielle en chimie et en biologie.
Les liquides jouent un rôle crucial dans les processus biologiques et chimiques, mais leurs comportements moléculaires sont difficiles à observer en raison du mouvement constant et des interactions ultraf rapides. Les méthodes traditionnelles comme la spectroscopie optique sont trop lentes pour capturer ces événements, qui se produisent à l'échelle attoseconde — un milliardième de milliardième de seconde.
Une équipe de l'Ohio State University (OSU) et de la Louisiana State University (LSU) a changé cela en adaptant la spectroscopie des harmoniques élevées (HHS), une technique optique non linéaire précédemment limitée aux gaz et aux solides. La HHS utilise des impulsions laser intenses et courtes pour ioniser les molécules, libérant des électrons qui se recombinent et émettent une lumière révélant les mouvements électroniques et nucléaires. Pour surmonter les défis des liquides — tels que l'absorption de la lumière et la complexité du signal —, les chercheurs ont créé une feuille liquide ultrafine permettant à plus de lumière harmonique de s'échapper pour la détection.
Testant des mélanges simples, ils ont combiné du méthanol avec des halobenzènes, des molécules ne différant que par un atome d'halogène : fluor, chlore, brome ou iode. La plupart des mélanges ont produit des signaux harmoniques attendus, mélangeant les émissions des composants. Cependant, la solution fluorobenzène-méthanol s'est comportée différemment, produisant moins de lumière au total et supprimant complètement un harmonique.
« Nous avons été vraiment surpris de voir que la solution PhF-méthanol donnait des résultats complètement différents des autres solutions », a déclaré Lou DiMauro, professeur Edward E. et Sylvia Hagenlocker de physique à l'OSU. « Non seulement le rendement du mélange était beaucoup plus faible que pour chaque liquide seul, mais nous avons également trouvé qu'un harmonique était complètement supprimé. »
Des simulations ont expliqué cela comme une « poignée de main moléculaire » — un lien hydrogène entre le fluor du fluorobenzène et le groupe oxygène-hydrogène du méthanol, dû à l'électronégativité du fluor. Cette structure organisée crée une barrière de diffusion électronique qui interfère avec la génération harmonique. « Nous avons trouvé que le mélange PhF-méthanol est subtilement différent des autres », a noté John Herbert, professeur de chimie à l'OSU. L'équipe de LSU a confirmé cela via des modèles de l'équation de Schrödinger dépendante du temps, montrant que la position de la barrière affecte les motifs de suppression, offrant des insights sur les structures de solvatation locales.
« Nous étions ravis de pouvoir combiner des résultats expérimentaux et théoriques, à travers la physique, la chimie et l'optique, pour apprendre quelque chose de nouveau sur la dynamique électronique dans l'environnement liquide complexe », a déclaré Mette Gaarde, professeure Boyd de physique à LSU.
Cette avancée pourrait éclairer les processus cellulaires, les dommages par rayonnement et les matériaux, la HHS étant désormais sensible aux interactions soluté-solvant. Financé par le DOE et le NSF, l'étude paraît dans Proceedings of the National Academy of Sciences (2025).
