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Analyse inédite d'un matériau instable grâce aux travaux d'un laboratoire de l'X

L’équipe de recherche de Gregory Nocton, du Laboratoire de chimie moléculaire de l'X, et ses partenaires nationaux ont réussi pour la première fois à synthétiser une forme extrêmement instable de thulium suffisamment pure pour être analysée expérimentalement, révélant ainsi sa structure électronique.

Les « lanthanides » - dont fait partie le thulium - sont largement utilisés dans l’industrie pour leurs propriétés de magnétisme, de luminescence ou encore de catalyse chimique. Pourtant, leur structure et leurs propriétés ne sont pas assez bien connue pour envisager l’ensemble des applications qu’ils permettraient d’explorer.

Le Laboratoire de Chimie Moléculaire (LMC - UMR École polytechnique/CNRS), en collaborations avec Département de Chimie Moléculaire de l’Université de Grenoble (CNRS),  l’Institut des Sciences Chimique de Rennes (CNRS), le Laboratoire de Chimie de l’Université de Lyon (UMR ENS Lyon/CNRS), et le Laboratoire de Chimie Physique de l’Université Paris-Sud (CNRS), a réussi à synthétiser une forme de thulium, le thulium divalent, et surtout à en isoler suffisamment pour pouvoir l’étudier. Cette avancée,  publiée le 1er Mars dans la revue Angewandte Chemie International Edition,  est remarquable car ces composés sont particulièrement difficiles à préparer. En effet, ils ont tendance à réagir fortement avec leur environnement, que ce soit les solvants utilisés, ou les gaz habituellement inertes comme l’azote. Le défi des chercheurs a donc été de créer un composé assez stable pour en étudier la structure électronique.

Pour y arriver, les chimistes ont combiné une autre forme de thulium plus stable - le thulium triflate - avec du graphite de potassium, afin d’induire une réaction de réduction du thulium en thulium divalent. Cette procédure, en apparence simple, est très délicate à mettre en place, nécessitant des manipulations sous atmosphère d’argon à des températures descendant jusqu’à -40°C. Agitation,  centrifugation, évaporation, cristallisation, ces procédés chimiques combinés ont abouti à une forme cristalline solide de thulium divalent permettant de l’étudier par spectroscopie à rayons X.

Ainsi, les chercheurs ont pu effectuer des mesures, apportant notamment la première preuve expérimentale de la structure électronique de ces molécules qui présentent 13 électrons dans leur région orbitale – un détail qui a son importance dans la compréhension de leurs propriétés magnétiques.

L’équipe de Gregory Nocton ne compte pas s’arrêter là et souhaite transposer cette méthode à d’autres composés encore plus difficiles à synthétiser. Les lanthanides étant déjà utilisés dans une grande variété d’objet du quotidien, que ce soit dans l'éclairage, l'informatique, la céramique, le laser ou l'imagerie,  ces travaux de recherche fondamentale pourront ainsi inspirer de nombreuses applications.

Pour en savoir plus : CNRS News