RMN : quand la chimie tourne à grande vitesse

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) en phase solide est un outil puissant pour décrypter les propriétés des solides à l’échelle atomique. Toutefois, l’analyse des matériaux contenant des ions métalliques paramagnétiques reste un sérieux défi. Ces ions, avec leurs électrons non appariés, perturbent les signaux RMN et rendent les spectres difficilement interprétables. Or on les retrouve dans de très nombreux systèmes d’intérêt comme les catalyseurs ou certains composants de batteries. Cette limite actuelle de la RMN est un défi qui occupe de très nombreux chercheurs et ingénieurs à travers le monde, tant le bénéfice de pouvoir étudier ces matériaux par RMN en vue d’optimiser leurs propriétés serait grand.

Grâce à l’introduction de la rotation à l'angle magique ultra-rapide, à des fréquences dépassant 100 kHz, et de nouveaux schémas d’impulsions adaptés, une équipe internationale de scientifiques1  vient de surmonter cet obstacle. La rotation à l’angle magique est une technique clé en RMN qui réduit les interférences spectrales en faisant tourner l’échantillon selon un angle précis par rapport au champ magnétique. Jusqu’ici, cette technique s’avérait cependant peu efficace pour les solides paramagnétiques. Une des limites vient de la vitesse maximale à laquelle peuvent tourner les rotors qui entrainent l’échantillon.

Les scientifiques se sont précisément attelés à la mise au point de nouveaux rotors miniaturisés fabriqués dans des matériaux robustes et conçus pour supporter des vitesses extrêmes, bien au-delà des fréquences de 30 à 60 kHz habituelles. Ces innovations, associées à des irradiations optimisées, ont été testés sur quelques matériaux emblématiques, réputés difficiles à étudier par RMN: un complexe luminescent à base de terbium, un catalyseur sensible à l’air contenant du fer et des matériaux de cathodes pour batteries lithium-ion. Dans chaque cas, la rotation ultra-rapide a permis d’obtenir des informations précises sur la structure électronique et géométrique des échantillons, données inaccessibles jusqu’ici mais très utiles pour optimiser les propriétés fonctionnelles de ces matériaux.

En rendant des spectres de haute qualité accessibles pour des systèmes autrefois considérés comme intractables, ce développement permet de franchir un cap important en RMN. Publiée dans la revue Angewandte Chemie International Edition, cette avancée majeure pour la compréhension des matériaux complexes va faire tourner la tête.

Rédacteur: AVR

• 1Du Centre de RMN à très hauts champs de Lyon (CNRS/ENS Lyon/Université Claude Bernard), de IFP Energies nouvelles, de l Université de Cambridge et de la division Bruker Biospin de la société Bruker