Les neutrons exposent la structure cristalline de l'acide carbonique insaisissable
Tout le monde croit le savoir, mais il est resté l'un des plus grands secrets de la chimie : l'acide carbonique. Jusqu'à présent, personne n'avait jamais vu la structure moléculaire du composé composé d'hydrogène, d'oxygène et de carbone de formule chimique H2CO3. Le composé se décompose rapidement, du moins à la surface de la Terre, en eau et en dioxyde de carbone ou réagit pour former du carbonate d'hydrogène, une substance qui se décompose également.
C'est ce qui donne le pétillant à l'eau minérale et au champagne."Parce que les gens ne croient pas à ce qu'ils ne voient pas, les livres de chimie prétendent généralement que l'acide carbonique n'existe pas ou du moins qu'il ne peut pas être isolé avec une certitude absolue,"déclare le professeur Richard Dronskowski, directeur de l'institut de chimie inorganique de RWTH Aachen.
Avec son équipe du RWTH et du Hoffmann Institute for Advanced Materials (HIAM) à Shenzhen, en Chine, il a maintenant réussi à produire de l'acide carbonique cristallin et à analyser sa structure pour la première fois. Il est donc temps de réécrire les manuels.
Les chercheurs ont mis huit ans pour prouver l'existence du composé."Nos calculs informatiques ont d'abord montré qu'il faudrait créer des températures de moins 100°C combinées à une pression d'environ 20 000 atmosphères pour que des cristaux d'acide carbonique se forment à partir d'eau et de dioxyde de carbone. Nous avons donc dû concevoir et construire un appareil capable de résister à ces conditions extrêmes,"dit Dronskowski.
Les parois de la cellule de mesure, qui n'est pas plus grande qu'un flacon de parfum, sont constituées d'un alliage spécialement produit. Une fenêtre en diamant permet aux chercheurs de voir à l'intérieur. Dans cette cellule, un mélange d'eau congelée et de neige carbonique carbonique est soumis à une pression avec une enclume. Dans ces conditions extrêmes, des cristaux se sont effectivement formés.
Utiliser les neutrons pour mieux voir
Pour en savoir plus sur la composition et la structure des cristaux, l'équipe a emmené la cellule de mesure au FRM II à Munich :"Pour nos investigations, nous avions besoin de faisceaux de neutrons,"se souvient Dronskowski.
"Les rayons X interagissent avec les électrons dans les atomes. Mais les neutrons interagissent avec les noyaux. En conséquence, ils peuvent être utilisés pour rendre visibles même des atomes très légers, comme l'hydrogène, qui ne contient qu'un seul électron. C'était essentiel pour nous car nos cristaux contiennent de l'hydrogène. Nous devions savoir où se trouvaient les atomes d'hydrogène dans la molécule."
Pour utiliser des faisceaux de neutrons pour étudier la structure atomique d'un cristal, des instruments de mesure extrêmement sensibles sont nécessaires comme le diffractomètre STRESS-SPEC. Il a été développé pour mesurer les effets de déplacement des contraintes sur le réseau cristallin. Pour la mesure, un monochromateur est utilisé pour sélectionner une longueur d'onde spécifique à partir du faisceau de neutrons émis par le réacteur de recherche FRM II.
Ce faisceau monochromatique peut être dirigé à l'aide de fentes spéciales pour le focaliser entièrement sur l'intérieur de la cellule de mesure, explique le Dr Michael Hofmann, chercheur au TUM et chef du groupe FRM II :"Cela nous permet d'étudier de très petits volumes d'échantillons à une résolution extrêmement élevée. Pour l'analyse de l'échantillon d'Aix-la-Chapelle, qui avait un volume de quelques millimètres cubes seulement, c'était idéal."
Lorsque le faisceau de neutrons monochromatique frappe un cristal, il est dévié par l'interaction avec les atomes. Cela produit un diagramme de diffraction à partir duquel la structure du réseau cristallin peut être déduite - au moins théoriquement.
L'énigme des structures
"Concrètement, l'analyse des données de mesure était un vrai challenge,"dit Dronskowski. Les chercheurs ont mis plus de deux ans pour identifier des milliers de possibilités structurelles avec leurs algorithmes et les comparer aux résultats expérimentaux. Avec cette approche, ils ont finalement réussi à identifier la structure des cristaux qui se sont formés à l'intérieur de la cellule de mesure : Ils sont en effet constitués de H2CO3 molécules liées par des liaisons hydrogène, formant une faible symétrie"monoclinal"structure.
"Notre travail était avant tout de la recherche fondamentale : les chimistes ont juste besoin de le savoir, ils ne peuvent pas s'en empêcher. Mais maintenant, où l'on connaît les conditions dans lesquelles se forme l'acide carbonique, on peut imaginer des applications pratiques,"dit Dronskowski.
Par exemple, les cosmologistes qui détectent des traces d'acide carbonique sur des planètes ou des lunes lointaines pourront tirer des conclusions sur les conditions qui y règnent. Les résultats pourraient également être intéressants pour la géo-ingénierie : par exemple, il est désormais possible de calculer quand les cristaux d'acide carbonique se forment lorsque le dioxyde de carbone est placé sous haute pression dans des conditions humides sous le sol.
La recherche a été publiée dans Inorganiques.
