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Observer les vibrations de l’eau liquide en temps réel : une étape vers l’étude des dynamiques ultrarapides des molécules solvatées

Observer les vibrations de l’eau liquide en temps réel : une étape vers l’étude des dynamiques ultrarapides des molécules solvatées

Des chercheurs du LIDYL (CEA), en collaboration avec le Centre for Free-Electron Laser Science (DESY, Hambourg), l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL- LACUS), le Département de Physique de l’Université de Rome La Sapienza, ont réalisé la première observation en temps réel des vibrations moléculaires

Des chercheurs du LIDYL (CEA), en collaboration avec le Centre for Free-Electron Laser Science (DESY, Hambourg), l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL-LACUS), l’Université de Rome La Sapienza, ont réalisé la première observation en temps réel des vibrations moléculaires de l’eau liquide avec une résolution temporelle de quelques femtosecondes (1 fs = 10-15 s) . Cette étude ouvre une nouvelle voie pour explorer les mécanismes fondamentaux de transfert d’énergie dans les liquides et les solutions.

Observation en temps réel à l’échelle femtoseconde, de la vibration d’élongation de la liaison OH dans la molécule d’eau.

Comprendre comment l’énergie se dissipe dans un environnement liquide constitue l’un des défis majeurs de la physico-chimie ultrarapide. Dans une solution, les interactions entre le solvant et les molécules dissoutes gouvernent les mécanismes de relaxation, de réactivité et de transfert de charge. Pourtant, les premières étapes de ces processus se déroulent sur des échelles de temps de quelques femtosecondes seulement, jusqu’à présent difficilement accessibles expérimentalement.

Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé une combinaison unique d’impulsions laser infra-rouge ultrabrèves de 5 fs (femtosecondes), et de sondes ultraviolettes large bande de seulement 2 fs pour suivre directement les mouvements vibrationnels de l’eau liquide. Ils ont mis en évidence les oscillations cohérentes associées aux vibrations d’élongation O–H ainsi que leur déphasage extrêmement rapide, caractéristique des interactions collectives au sein du réseau de liaisons hydrogène.

Au-delà de la compréhension fondamentale de l’eau, ces résultats démontrent la capacité de cette approche à suivre en temps réel les échanges d’énergie entre une molécule et son environnement. Ils ouvrent ainsi la voie à l’étude de dynamiques ultrarapides dans des molécules solvatées, notamment lors de réactions photochimiques ou de transferts de charge, dans des régimes jusqu’ici inaccessibles expérimentalement.

Cette avancée s’inscrit dans le cadre d’une collaboration internationale de longue date entre les équipes du LIDYL, du DESY/CFEL, de l’EPFL-LACUS et leurs partenaires. Ces laboratoires comptent parmi les acteurs de référence mondiale dans les domaines des lasers ultra-brefs, de la spectroscopie femto- et attoseconde et de la dynamique de la matière condensée. Le maintien et le renforcement de cette collaboration constituent un atout majeur pour développer de nouvelles approches expérimentales destinées à décrypter les mécanismes fondamentaux qui gouvernent la dynamique des systèmes moléculaires en solution.

Référence

Real-time tracking of the intramolecular vibrational dynamics of liquid water,
Gaia Giovannetti, Sergey Ryabchuk, Ammar Bin Wahid, Hui-Yuan Chen, Giovanni Batignani, Erik P. Månsson, Oliviero Cannelli, Emanuele Mai, Andrea Trabattoni, Ofer Neufeld, Angel Rubio, Vincent Wanie, Hugo Marroux, Tullio Scopigno, Majed Chergui et Francesca Calegari, Communications Chemistry 9 (2026) 57.

Collaboration :

Contact CEA : Hugo Marroux (Lidyl – Groupe Attophysique).

Hugo MARROUX