La physique quantique aide également à contrôler les réactions chimiques

Maîtriser les réactions chimiques pour générer de nouveaux produits est l’un des grands enjeux de la chimie et les avancées de cet axe de recherche ont des répercussions dans l’industrie, par exemple en réduisant les déchets générés dans la fabrication de matériaux pour la construction ou en améliorant la production de catalyseurs. utilisé pour accélérer les réactions chimiques.

Pour cette raison, dans le domaine de la chimie des polaritons, qui utilise les outils de la chimie et de l’optique quantique, différents laboratoires à travers le monde ont développé ces dix dernières années des expériences dans des cavités optiques pour manipuler la réactivité chimique des molécules à température ambiante, à l’aide de champs électromagnétiques. Certains sont parvenus à modifier des réactions chimiques dans des composés organiques, mais à ce jour, et sans avancées significatives ces deux dernières années, aucune équipe de recherche n’était parvenue à disposer d’un mécanisme physique général pour décrire le phénomène et qui permettrait de le reproduire pour obtenir les mêmes mesures.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Université de Santiago du Chili, qui fait partie du Millennium Institute for Optical Research (MIRO), dirigée par le chercheur principal Felipe Herrera, et un laboratoire de la division de chimie du Naval Research Laboratory, du Department of United States Defence, dirigé par le chercheur Blake Simpkins, a annoncé que, pour la première fois, il a été possible de manipuler la vitesse de formation de molécules d’uréthane dans une solution contenue dans une cavité optique.

Cette découverte démontre pour la première fois, à la fois théoriquement et expérimentalement, qu’il est possible de modifier sélectivement la réactivité de certaines liaisons chimiques dans une réaction chimique à température ambiante dans un solvant liquide, grâce à l’influence du vide du champ électromagnétique dans un gamme étroite de fréquences infrarouges. “Il s’agit d’une découverte théorique qui améliore notre compréhension fondamentale du phénomène par rapport à d’autres modèles qui se limitent à expliquer des aspects partiels des observations expérimentales ou qui réfutent simplement complètement les preuves expérimentales”, commente le chercheur Felipe Herrera.

De nouvelles limites pour manipuler les molécules

Pourquoi est-il si difficile de contrôler les réactions chimiques ? Lorsque des réactions chimiques ont lieu, les liaisons qui unissent les différents atomes qui composent une molécule sont rompues et réarrangées, formant de nouvelles substances appelées produits. Pour que ce processus se produise, il est nécessaire d’appliquer de l’énergie et il existe divers principes physico-chimiques qui, depuis la fin du XIXe siècle, nous ont aidés à comprendre comment ces transferts d’énergie sont générés selon les lois de la thermodynamique.

De même, il existe des principes de réactivité basés sur les structures des molécules, comme ceux proposés par Eyring, Evans et Polanyi en 1935 et qui sont largement utilisés dans tous les domaines de la chimie. Dans ces principes de base, chaque réaction entre deux molécules est supposée indépendante de toute autre réaction pouvant se produire dans une solution. “C’est très vrai dans presque toutes les situations qui ont été étudiées en 80 ans et plus, mais le vide électromagnétique crée des corrélations entre les diverses réactions chimiques qui se produisent dans le volume de la cavité, et ces corrélations créées par le champ électromagnétique en principe ils signifient que les hypothèses traditionnelles de réactivité chimique doivent être revues », explique Herrera.

“L’apport expérimental de cette étude est la confirmation de la modification des vitesses de réaction par l’interaction avec le vide du champ électromagnétique confiné dans la cavité, en utilisant une réaction chimique bien étudiée et avec des changements plus importants que ceux trouvés avec d’autres types de réactions. Dans la partie théorique, la contribution porte sur le fait qu’en modifiant la dynamique des liaisons chimiques qui participent principalement à la réaction, grâce au rayonnement infrarouge, il est possible de contrôler les produits », ajoute le physicien Johan Triana, chercheur postdoctoral au MIRO et l’Université de Santiago, qui a participé à la génération du modèle mathématique et aux calculs numériques pour la description du système moléculaire.

Illustration conceptuelle d’un réacteur infrarouge Fabry-Perot avec des réactions de formation d’uréthane se produisant en solution sous l’influence d’un vide électromagnétique confiné. (Image : Johan Triana et Alejandra Pantoja)

Jouer et interpréter les mesures

La préparation de cette étude a commencé en 2020, lorsque Wonmi Ahn, alors chercheur postdoctoral au US Naval Research Laboratory, aujourd’hui professeur à l’université turque de Bilkent, a mené les premières expériences. En 2021, Blake Simpkins a préparé de nouveaux échantillons pour s’assurer que les mesures étaient reproductibles et a amélioré les cellules liquides où se produisent les réactions chimiques. Au milieu de cette année-là, le chercheur Felipe Herrera a commencé à avoir des réunions périodiques avec Simpkins pour rechercher d’éventuelles réponses théoriques qui étayeraient les résultats obtenus, et qui différaient des résultats qui avaient été précédemment rapportés à l’Université de Strasbourg en France., où les premiers résultats ont été rapportés en 2015. “Nous avons choisi de partir de zéro et de construire une théorie qui prend en considération tous les aspects physiques de l’optique quantique, mais qui, dans des conditions spécifiques, se réduit à la théorie de la réactivité standard de la chimie théorique” , explique Herrera.

L’étude s’intitule “Modification de la réactivité chimique de l’état fondamental via la cohérence lumière-matière dans les cavités infrarouges”. Et il a été publié dans la revue scientifique Science. Le travail est dirigé par Simpkins et Herrera, avec la participation de Wonmi Ahn et Johan Triana, ainsi que Felipe Recabal de l’Université de Santiago du Chili.

Ce premier travail ouvre de nouvelles possibilités et de nouveaux défis pour la science, car, comme l’explique Herrera, “nous devons développer un cadre théorique et mathématique suffisamment simple et général que tout chercheur dans le monde puisse utiliser pour interpréter ses expériences et, si possible, concevoir de nouveaux.” des types de mesures que personne n’a encore vues. En ce sens, Herrera mentionne l’une de ses ambitions en tant que scientifique qui fait la transition entre la physique et la chimie : “ce serait bien pour nous d’être les premiers au monde à construire ce type de théorie qui unit deux des disciplines les plus performantes de la science moderne”. science : réactivité chimique et physique quantique ». (Source : Institut du millénaire pour la recherche en optique)