Ce procédé, basé sur l'échange d'énergie entre deux atomes, pourrait constituer un puissant outil pour l'étude de la structure de plusieurs systèmes moléculaires complexes. Les résultats de ces travaux réalisés avec le soutien du Fonds russe pour la recherche ont été publiés dans le Journal of Chemical Physics Letters.
Si le photon émis par la source de rayonnement X rencontre un électron dans l'atome et lui transfère suffisamment d'énergie, l'électron pourrait quitter l'atome. Ce processus est appelé photoionisation directe.
La nouvelle méthode est basée sur la participation de deux atomes: un donneur et un receveur. D'abord, au moment de l'"impact", le photon du rayon X transmet l'énergie à l'électron situé au plus bas niveau de l'atome-donneur. L'électron quitte l'atome en libérant sa place, qu'occupe alors un autre électron de l'atome-donneur qui saute à partir d'un niveau plus élevé tout en émettant un photon. Ce dernier est absorbé par l'atome-receveur, ce qui fait sortir l'un de ses électrons du niveau inférieur.
"Les atomes du receveur et du donneur se situent à une certaine distance entre eux. La charge positive de l'atome-donneur ionisé modifie l'énergie de sortie de l'électron de l'atome-receveur. La connaissance de cette valeur permet d'établir le type de l'atome-receveur et la distance entre les atomes. Cette information permet de déterminer toute la structure de la substance étudiée", explique Faris Guelmoukhanov, docteur en sciences mathématiques et physiques, auteur principal de l'étude.
Alors qu'au rayonnement X, avec lequel ont travaillé les chercheurs en mettant au point la nouvelle méthode, il s'avère que le transfert d'énergie est possible à des distances bien plus élevées. Autrement dit, l'échange d'énergie peut avoir lieu non seulement avec les atomes les plus proches, mais également avec les voisins éloignés.
"Nous avons élaboré un nouveau modèle théorique de transfert d'énergie qui décrit les changements chimiques des transitions observés au rayonnement X en fonction de la position des atomes donneurs et receveurs. Dans le cadre de ce modèle, le transfert d'énergie est réalisé grâce à l'échange de photons, qui permet directement à partir de l'expérience de déterminer la structure de différentes substances, y compris les biomolécules contenant des atomes-donneurs lourds comme le fer ou le soufre. Sachant que les résultats de nos études théoriques peuvent être efficacement développés en utilisant un laser à électrons libres (XFEL)", a expliqué Sergueï Polioutov, directeur l'Institut des nanotechnologies de spectroscopie et de chimique quantique de l'Université fédérale de Sibérie.
Le signal provoqué par le transfert d'énergie entre les niveaux dans l'atome est très faible. Cependant, il peut être significativement amplifié en régime d'impulsions à rayons X intensives et brèves à base du SFEL. Cette technologie offre l'opportunité unique non seulement de décrire la structure "figée" d'une substance (à l'aide de la cristallisation de la structure biologique "vivante"), mais également de suivre la dynamique de mouvement des atomes en temps réel.
