Les scientifiques résolvent le mystère de l'oxygène hautement réactif
Les chercheurs ont élucidé un puzzle vieux de décennies en chimie en expliquant comment l'oxygène devient hautement réactif dans certaines conditions. Cette avancée, détaillée dans une étude récente, révèle un nouveau mécanisme impliquant des réactions d'oxygène atomique. Cette découverte pourrait remodeler la compréhension des processus atmosphériques et de la combustion.
Pendant plus de 50 ans, les chimistes ont été perplexes face au comportement de l'oxygène hautement réactif, en particulier sous la forme connue sous le nom d'oxygène singulet, qui joue un rôle crucial dans les réactions allant de la photosynthèse à la pollution. Une équipe dirigée par David Osborn aux Laboratoires nationaux de Sandia aux États-Unis a enfin percé le mystère grâce à des techniques expérimentales avancées.
L'étude, publiée dans la revue Science le 10 octobre 2024, s'est concentrée sur la réaction entre les atomes d'oxygène et l'oxygène moléculaire. En utilisant une méthode appelée imagerie de carte de vitesse, les chercheurs ont observé les intermédiaires éphémères dans la réaction O + O2 → O3, mais avec une particularité : ils ont identifié un chemin menant à la formation de produits d'oxygène en état triplet hautement réactifs.
"Cette réaction a été une boîte noire pendant si longtemps", a déclaré Osborn dans une interview avec New Scientist. "Nous voyons maintenant exactement comment l'énergie est distribuée, expliquant pourquoi l'oxygène peut soudainement devenir si agressif pour rompre les liaisons."
Le contexte de ce puzzle remonte aux années 1970, lorsque des expériences précoces ont révélé des incohérences dans les taux de réactivité de l'oxygène sous différentes pressions et températures. Les modèles antérieurs supposaient un transfert d'énergie simple, mais ils n'ont pas pris en compte les effets quantiques qui permettent à l'oxygène d'accéder à des états électroniques interdits.
Cette nouvelle compréhension confirme les détails de multiples simulations computationnelles réalisées dans les années 2010, résolvant les divergences où les données de laboratoire contredisaient la théorie—par exemple, des rapports antérieurs suggéraient des taux de réaction 10 fois plus élevés que prévu, tandis que ce travail les aligne précisément.
Les implications s'étendent au-delà de la chimie pure. Dans l'atmosphère, ce mécanisme pourrait influencer l'appauvrissement de l'ozone et la formation du smog, affectant les modèles climatiques. Dans l'industrie, de meilleures prédictions de la réactivité de l'oxygène pourraient améliorer les conceptions de moteurs et réduire les émissions des processus de combustion.
La recherche a été menée en utilisant des installations de pointe à la Combustion Research Facility de Sandia, soulignant le rôle des laboratoires nationaux dans la science fondamentale. Bien que l'équipe insiste sur la nécessité de validations supplémentaires dans des environnements complexes, cela résout un énigme central qui a échappé aux scientifiques pendant des générations.