Nous pensons généralement à la relativité comme à quelque chose qui se produit à proximité des trous noirs. Ou dans les accélérateurs de particules. Loin. Pas dans la bouteille d’acétone sur votre bureau. Mais les idées étranges d’Albert Einstein sont plus proches que vous ne le pensez. Beaucoup plus près.
À l’intérieur des atomes lourds, les électrons se déplacent si vite qu’ils ressentent les effets de la relativité restreinte.
Lai-Sheng Wang de l’université Brown et son équipe viennent de le prendre sur le fait. Pour la première fois. Ils ont étudié une molécule composée de bismuth et de carbone. Le bismuth est lourd. Il se situe au bas du tableau périodique. Les électrons qui l’entourent ne se contentent pas de se déplacer ; ils vont suffisamment vite pour que les règles standard de la mécanique quantique commencent à déraper.
La relativité restreinte ne consiste plus seulement à plier le temps et l’espace. Il remodèle les liaisons chimiques.
Le désordre du Sigma Pi
Voici comment cela fonctionne habituellement. Vous avez deux atomes connectés. Les électrons entre eux forment des liaisons. Considérez les obligations sigma comme se chevauchant de front. Comme une poignée de main. Les liaisons Pi se chevauchent côte à côte. C’est comme se tenir l’un à côté de l’autre et lier les bras. C’est une image soignée. Faire le ménage. Prévisible.
L’équipe de Wang a cartographié la distribution électronique dans la molécule bismuth-carbone. Ils s’attendaient à trois obligations. Un sigma. Deux pi. Tarif standard.
Ils ont examiné les données. C’était faux.
Au lieu de formes distinctes sigma ou pi, ils ont vu un flou. Deux des obligations étaient des hybrides désordonnés. Un mélange de tout. “Leurs caractères sont différents de la compréhension normale”, a déclaré Wang. Vous ne pourriez même pas les appeler sigma ou pi.
Pourquoi? Le noyau de bismuth est massif. Cela attire durement ces électrons internes. Si dur, en fait, que l’interaction électromagnétique force les électrons à des vitesses relativistes.
Kirk Peterson, de l’Université de l’État de Washington, a fait les calculs. Il l’a confirmé. Ce mélange s’est produit parce que les électrons proches du bismuth se rapprochaient suffisamment de la vitesse de la lumière pour se soucier des calculs d’Einstein. Peterson qualifie les données expérimentales de « luxe ». Il souligne à quel point il est difficile d’obtenir de bonnes données sur les éléments lourds.
Froid et clair
Il y avait une astuce pour y voir clair. Vous ne pouvez pas avoir d’électrons fragiles. Wang a considérablement refroidi les molécules. Très froid.
Cela a tué la gigue. Aucun bruit thermique. Pas de flou. Juste une carte précise de l’endroit où les électrons voulaient être. Sans cette étape, la distorsion relativiste aurait été perdue dans le statique.
On se demande pourquoi nous ignorons si souvent la relativité en cours de chimie.
Trond Saue, de l’Université de Toulouse, le dit clairement : la mécanique quantique standard s’effondre en bas du tableau. Vous avez besoin de relativité pour que cela fonctionne. Ce n’est pas une nouvelle nouvelle en théorie. L’or est jaune au lieu d’être blanc argenté à cause de cela. Le mercure est un liquide plutôt qu’un bloc solide. Mais le voir changer activement la façon dont les atomes se lient ? C’est rare.
Pekka Pyykkö d’Helsinki affirme que cela est important pour la chimie. Si vous utilisez le bismuth dans des réactions organiques, la torsion relativiste des liaisons pourrait modifier son comportement. Cela pourrait en faire un meilleur catalyseur. Ou pire. Des études récentes de l’institut Max Planck suggèrent déjà que les effets relativistes font du bismuth un bon accélérateur pour certains processus chimiques.
La structure obligataire s’est donc effondrée ? Pas exactement. Cela vient de changer.
Wang veut savoir quand. Quel point exactement du tableau périodique fait échouer complètement les obligations traditionnelles. Ils échangent du bismuth contre des voisins pour tester les limites.
On a l’impression que nous ne faisons qu’effleurer la surface de la chimie des éléments lourds. Les vieux manuels sont probablement désormais obsolètes. Mais personne n’a encore mis à jour les couvertures.
Le plus difficile est le manque de données expérimentales vraiment bonnes.
Cela change aujourd’hui. Peut-être que demain le carbone dans votre stylo agira aussi étrangement. Probablement pas. Mais pourquoi ne pas le supposer ?
