Les secrets de l'oxygène solide percés grâce aux rayons X

Des chercheurs du laboratoire de géophysique de l’Institut Carnegie viennent de comprendre pourquoi l’oxygène forme des amas de 4 molécules à haute pression. L’utilisation de faisceaux de rayons X a révélé que les orbitales moléculaires liantes et anti-liantes des atomes changeaient de forme.

L’oxygène est le troisième élément le plus abondant dans l'univers et comme il est essentiel à la vie, puisque nous le respirons, nous croyons bien le connaître mais lorsqu’on le soumet à des pressions de l’ordre de 10000 atmosphères, il se solidifie en arborant de multiple couleurs, devient métallique et même supraconducteur ! Ces dernières années, les chercheurs ont même découvert qu’il s'y formait des amas d’une molécule étrange par rapport aux conditions physique normale : (O2)4

Comprendre ce genre de comportements étonnants a donc fait rêver plusieurs physiciens. C’est un groupe de chercheurs spécialisés dans la physique des matériaux à hautes pressions en géophysique qui vient de trouver une clé importante pour élucider cette énigme.
Yue Meng est une géophysicienne qui travaille à l’institut Carnegie à Washington. Avec ses collègues, elle a utilisé les faisceaux de rayons X produit par le synchrotron du laboratoire nationale d’Argonne, au Etats-Unis, pour mettre en évidence les changements s’opérant dans les orbitales de liaisons entre atomes d’oxygène lorsque l’on soumet ces derniers à de hautes pressions à l’aide d’une cellule à enclume de diamants.

Jointes à des calculs théoriques, ces études ont montré que sous l’action de la pression qui force les atomes d’oxygène, et surtout les amas (O2)4, à se rapprocher, les orbitales atomiques et moléculaires dans les conditions standards de la vie de tous les jours sont modifiées et les liaisons possibles deviennent plus fortes, ce qui provoque l’apparition de la solidification des amas en un réseau cristallin. C’est la première fois que les techniques de diffusion inélastique de rayons X ont été utilisées pour étudier les modifications des orbitales des atomes dans des conditions de hautes pressions. On devrait pouvoir étendre l’emploi de ces dernières à d’autres matériaux dans des états similaires.

Comprendre ce genre de structure pourrait aider à la naissance de nouveaux composants électroniques, ou magnétiques, avec d’intéressantes applications technologique d’après les chercheurs. En fait, on y trouve la formation d’orbitales liantes pi, qui interviennent dans ces composés du domaine de la chimie minérale, or ces dernières sont bien connues en chimie organique où on les retrouvent aussi dans la formation d’amas. Le résultat de ces études est publié dans un numéro d’Août des célèbres Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ce schéma montre les orbitales liantes et anti-liantes des atomes d'oxygène dans les amas (O2)4. En rouge, les atomes d'oxygène et en bleu la représentation des nuages électroniques des orbitales. Crédit : National Academy of Sciences