Séparation spatiale des conformateurs moléculaires et des amas

Les expériences modernes de physique moléculaire et de chimie physique en phase gazeuse utilisent souvent des expansions supersoniques de molécules cibles pour produire des échantillons moléculaires froids en rotation dans un faisceau moléculaire. Cependant, même à de basses températures de rotation de 1 K, ce qui peut être systématiquement réalisé en utilisant des expansions supersoniques, les grandes molécules peuvent encore rester dans de multiples conformations au sein du faisceau^1. De même, la production de grappes moléculaires dans une source de faisceau n’entraîne pas une seule espèce, mais plutôt la formation d’une « soupe de grappes », contenant de nombreuses stœchiomères de grappes différentes, ainsi que des molécules parentales pures restantes. Cela rend difficile l’étude de ces systèmes avec de nouvelles techniques telles que l’imagerie des orbitales moléculaires^2,des distributions angulaires photoélectroniques à cadre moléculaire^3-5 ou de l’électron^6-10 et de la diffraction des rayons X^11-13, car celles-ci nécessitent des échantillons purs, cohérents et homogènes en phase gazeuse.

Bien que plusieurs méthodologies soient maintenant disponibles pour séparer les différents conformateurs des espèces chargées en phase gazeuse(par exemple, les tubes dérivants de mobilité ionique^14,15)et que les grappes chargées soient facilement séparées par leur rapport masse/charge, ces techniques ne sont pas applicables aux espèces neutres. Nous avons récemment démontré que ces problèmes peuvent être surmontés avec l’utilisation d’un dispositif de déviation électrostatique^16,17,permettant la séparation des conformères moléculaires ainsi que des grappes et la production de faisceaux moléculaires froids en rotation.

L’utilisation de la déviation électrostatique est une technique classique de faisceau moléculaire, dont les origines remontent loin^18,19. Les premières idées d’utilisation de la déviation électrostatique pour la séparation des états quantiques ont été introduites par Stern en 1926^20. Alors que les premières expériences ont été menées sur de petites molécules à haute température, nous démontrons l’application de cette technique à de grandes molécules polaires et à des amas à basse température^16,21.

Les molécules polaires subissent une force à l’intérieur d’un champ électrique inhomogène(E)en raison des différences spatiales d’énergie potentielle. Cette force dépend du moment dipolaire effectif, μ_eff, de la molécule et peut être évaluée comme

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Comme différents conformateurs moléculaires possèdent généralement différents moments dipolaires et que des nombres différents de molécules de solvant au sein d’un cluster conduisent à des masses d’amas et des moments dipolaires différents, ces espèces connaîtront une accélération différente en présence d’un fort champ électrique inhomogène. La force de l’effet Stark résultant d’un champ électrique non homogène peut donc être utilisée pour la séparation des conformateurs et des états quantiques^22. Ceci est indiqué à la figure 1,montrant les courbes de Stark calculées pour les états de rotation J = 0,1,2 des cis et des trans-conformères du 3-fluorophénol, respectivement. Cela conduit à de grandes différences dans μ_eff, comme le montrent les figures 1c et 1d, et donc une accélération différente est subie par les deux conformères dans les champs électriques non homogènes. Par conséquent, un dispositif de déviation électrostatique peut être utilisé comme séparateur de rapport de moment masse/dipôle(m/μ_eff),par analogie à un spectromètre de masse agissant comme filtre de rapport masse/charge(m/z)^23.

De plus, ces techniques permettent la séparation des états quantiques rotationnels^24,25. Comme les états de rotation du sol (courbes bleues dans les figures 1a et 1b)présentent le plus grand décalage de Stark, ceux-ci seront les plus déviés et peuvent être séparés spatialement des molécules dans les états J supérieurs^17. La partie la plus froide d’un faisceau moléculaire peut donc être sélectionnée, aidant de manière significative dans de nombreuses applications, telles que l’alignement et l’orientation des molécules cibles^{17, 26-28.}

Dans cette contribution, nous montrons comment un dispositif de déviation électrostatique peut être utilisé pour séparer spatialement différentes espèces de grandes molécules polaires et d’amas. Des exemples de données sont présentés pour la production d’un faisceau pur d’un conformateur individuel et d’un amas soluté-solvant de taille et de rapport bien définis. Plus précisément, nous présentons des données sur le 3-fluorophénol, où un faisceau pur contenant uniquement le trans conformateur est produit, et sur les amas d’indole-eau, où l’amas d’indole(H2O)1 peut être spatialement séparé de l’eau, indole, indole(H2O)2, etc.