La première visualisation des électrons de valence révèle la nature fondamentale de la liaison chimique

La distribution des électrons de la couche externe, appelés électrons de valence, des molécules organiques a été observée expérimentalement pour la première fois par une équipe dirigée par l’Université de Nagoya au Japon. Les interactions entre les atomes étant régies par les électrons de valence, leurs découvertes mettent en lumière la nature fondamentale des liaisons chimiques, avec des implications pour la pharmacie et le génie chimique. Les résultats ont été publiés dans la revue Journal de la Société américaine de chimie.

Le comportement des électrons dans les atomes est complexe, formant des orbitales électroniques qui ont des fonctions différentes selon leur proximité avec le noyau. Les électrons de la couche interne, appelés électrons de cœur, servent à l’auto-stabilisation et n’interagissent pas avec les autres atomes. En revanche, les électrons externes, ou électrons de valence, définissent la plupart des propriétés du matériau, notamment lors de la liaison avec d’autres atomes.

Pour comprendre les propriétés d’un matériau, il faut extraire des informations sur ses électrons de valence. Cependant, il est difficile d’isoler expérimentalement uniquement les informations sur les électrons de valence, ce qui oblige les chercheurs à s’appuyer sur des modèles théoriques et la spectroscopie pour les estimer.

En menant des expériences de diffraction des rayons X synchrotron de classe mondiale à SPring-8, le groupe a découvert qu’il est possible d’extraire sélectivement uniquement la densité électronique de valence des atomes dans un cristal.

« Nous avons baptisé cette méthode la méthode CDFS. Grâce à elle, nous avons observé l’état électronique de la molécule de glycine, un type d’acide aminé », a déclaré l’auteur correspondant Hiroshi Sawa. « Bien que la méthode soit relativement simple à mettre en œuvre, le résultat était impressionnant. Le nuage d’électrons observé ne présentait pas la forme lisse et enveloppante que beaucoup prédisaient, mais plutôt un état fragmenté et discret. »

Pour comprendre la nature des résultats, le groupe a réalisé une carte en couleurs de ses observations. En chimie, une carte en couleurs utilise des couleurs pour afficher les variations des ensembles de données sur une plage spécifique. Ces cartes sont souvent utilisées en conjonction avec des techniques spectroscopiques, d’imagerie et d’analyse chimique pour fournir une manière intuitive d’interpréter des ensembles de données complexes.

La carte de la vue en coupe transversale dans le diagramme agrandi montre clairement des interruptions dans la distribution des électrons entourant les atomes de carbone.

« Lorsque le carbone forme des liaisons avec les atomes environnants, il reconstruit son nuage d’électrons pour créer des orbitales hybrides. Dans ce cas, les électrons de la couche L les plus externes ont des nœuds basés sur leur nature ondulatoire, connus sous le nom de fonctions d’onde », explique Sawa. « Cela signifie qu’en raison de la nature ondulatoire des électrons, il existe des parties des orbitales hybrides où les électrons sont absents, ce qui est très différent de l’image que beaucoup de gens se font d’un « nuage » continu d’électrons. »

La distribution fragmentée du nuage d’électrons observée dans l’expérience démontre la nature ondulatoire de la mécanique quantique des électrons, comme le prédit la physique. Pour confirmer si le nuage d’électrons observé capture avec précision l’état réel, ils ont effectué des calculs de chimie quantique avancés en collaboration avec l’Université d’Hokkaido qui ont confirmé que les résultats expérimentaux et théoriques correspondaient parfaitement.

Sawa estime que les résultats démontrent les avantages de la recherche interdisciplinaire. « Je pense que cela a été utile pour apporter une conclusion claire à la compréhension ambiguë des états de liaison qui a intrigué les chercheurs depuis le 19e siècle », a déclaré Sawa.

« Visualiser le comportement des électrons est une tâche difficile, mais les résultats peuvent être interprétés avec élégance comme des électrons agissant conformément aux fonctions d’onde. Je pense que nos découvertes ont étonné de nombreux chercheurs et validé le modèle proposé par la chimie quantique. »

Grâce à une compréhension précise de la distribution de la densité des électrons de valence formant cette molécule, le groupe a mené des expériences et des calculs similaires sur la cytidine, une molécule légèrement plus complexe. Ils ont réussi à extraire les électrons au sein des doubles liaisons carbone et ont clairement observé les différences entre les liaisons carbone-carbone et carbone-azote.

« Cette étude a permis de visualiser directement l’essence des liaisons chimiques, contribuant potentiellement à la conception de matériaux fonctionnels et à la compréhension des mécanismes de réaction. En effet, elle aide à discuter des états électroniques des molécules, qui sont difficiles à déduire à partir de la seule formule chimique structurale », a déclaré Sawa.

« Cela peut, par exemple, expliquer pourquoi certains médicaments fonctionnent et d’autres non. Les domaines dans lesquels les interactions influencent la fonctionnalité et la stabilité structurelle, comme les semi-conducteurs organiques et la recherche sur la structure des doubles hélices d’ADN, sont susceptibles de bénéficier le plus de nos recherches. »