Des rayonnements ionisants comme des faisceaux d'ions énergétiques sont capables de casser des molécules. Si la fragmentation de molécules isolées est aujourd'hui bien comprise, il n'en va pas de même pour des molécules au sein d'un solide ou d'un liquide. Les molécules voisines peuvent-elles modifier ce processus ?

Pour le savoir, les chercheurs du Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Cimap), à Caen, ont choisi un modèle expérimental de liquide : des dimères de molécules faiblement liées par leur seule polarisation (agrégats de van der Waals) – sans partage d'électrons comme dans une liaison chimique covalente. Ils peuvent ainsi étudier un « petit morceau de liquide » à l'aide des techniques les plus fines comme la « spectroscopie d'impulsion » développée au Cimap depuis les années 1990, qui permet de suivre la trajectoire et la vitesse de tous les fragments produits lors de la dissociation du système moléculaire.

Ils ont étudié des dimères composés d'un atome d'argon (Ar) et d'une molécule d'azote (N₂) exposés à un faisceau d'ions néon (Ne⁸⁺), d'une énergie d'un mégaélectronvolt (MeV). La fragmentation de la molécule est observée par une spectrométrie de temps de vol en coïncidence, associée à une technique d'imagerie (spectrométrie d'impulsion). Les chercheurs ont alors eu la surprise de découvrir un produit de réaction inattendu : l'ion moléculaire NAr⁺. La création d'une liaison covalente entre le fragment de N₂ (N⁺) et Ar est en effet très atypique pour un ion aussi lourd que N⁺.

Bien que l'impact de Ne⁸⁺ sur un des constituants du dimère (N₂) ait un effet identique à celui sur la molécule isolée, la présence de l'autre constituant (Ar) ouvre une nouvelle voie réactionnelle dont cette étude modèle montre qu'il faut tenir compte pour étudier l'effet des rayonnements ionisants dans les liquides, biologiques notamment.

Les expériences ont été menées au Cimap/Iramis, en collaboration étroite avec l'Institut de physique moderne de Lanzhou (Chine).