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Posté par Redbran le Mercredi 16/08/2017 à 00:00
Etude du processus de formation d'agrégats de PAH
Corrélation entre structures et propriétés électroniques dans les agrégats de PAH

Une équipe interdisciplinaire française impliquant des laboratoires toulousains (IRAP, LCPQ) et de la région parisienne (Synchrotron SOLEIL, ISMO) ont combiné la mesure de spectres de photo-ionisation au synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de...) avec des simulations moléculaires et ont pu établir la corrélation entre structures et propriétés électroniques (ionisation) d'agrégats de molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse. La connaissance de ces structures va permettre de mieux caractériser les propriétés de ces agrégats en particulier leur spectroscopie et leur stabilité afin d'avancer dans notre compréhension du rôle de ces systèmes dans la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) des régions de formation d'étoiles ainsi que dans les flammes.

Des premières mesures expérimentales de spectres de photoélectrons d'agrégats de PAH à base de pyrène C16H10 et de coronène C24H12 ont été obtenues en utilisant la technique d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit...) de photoélectrons-photoions en coïncidence disponible sur la ligne de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) lointain (VUV) DESIRS à SOLEIL. Ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) ont été confrontées aux résultats de simulations moléculaires dans lesquelles les effets de structure et de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) ont été pris en compte. Pour un agrégat de typiquement 6 molécules un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'isomères peuvent être peuplés à des températures de 100-200K. La qualité de l'accord expériences/simulations a permis de valider l'approche théorique utilisée. Les structures d'agrégats obtenues sont composées d'empilements multiples au-delà de typiquement 4 monomères. Un résultat important a été de montrer que, lors de l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement....), la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) ne se répartit pas sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de l'agrégat mais reste localisée sur quelques unités moléculaires (1 à 3). Ce comportement va affecter les propriétés électroniques et la stabilité de ces systèmes.


Figure: Evolution de l'énergie d'ionisation avec la taille des agrégats de pyrène (C16H10). Les valeurs expérimentales (courbe noire) sont comparées aux résultats des simulations moléculaires (courbes en couleur). Le potentiel d'ionisation vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en accords plaqués.) (courbe verte) a été calculé pour les isomères de plus basse énergie représentés ici pour 5, 6 et 7 molécules. Dans ces structures, les molécules en vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M, dont la...) sont celles qui portent la charge lors de l'ionisation. A température finie, typiquement 100-200 K dans l'expérience, il faut tenir compte dans les simulations du peuplement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) des différents isomères, ce qui permet d'obtenir les courbes rouges et bleues en très bon accord avec la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En...).

Dans les milieux astrophysiques, les PAH sont produits par destruction de très petits grains carbonés sous l'effet des photons VUV. Les travaux présentés ici constituent une première étape de l'étude de ce processus, les agrégats de PAH étant considérés comme des systèmes modèles en laboratoire de ces très petits grains carbonés cosmiques. Les propriétés d'ionisation des agrégats de PAH (énergie d'ionisation relativement basse et forte section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique...) d'ionisation) impliquent que ces espèces seraient en grande partie ionisées dans les milieux où les PAH sont formés. Leurs propriétés d'évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente de l'ébullition qui est une transition rapide. C'est un changement...) vont donc différer par rapport à celles des agrégats neutres qui ont été jusqu'à présent considérés dans les modèles astrophysiques.

Ce travail interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) (CNRS-INSU/INP/INC) a été initié dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution, et...) ANR Gas-phase PAH research for the interstellar medium (GASPARIM, ANR-10- BLAN-0501) et a mis également en jeu des moyens du projet ERC Synergy ( Synergy est la traduction ango-saxonne du mot synergie Dans l'industrie de l'informatique, Synergy peut faire référence à la marque commerciale d'un logiciel: voir Synergy (logiciel) Dans l'industrie des...) NANOCOSMOS.


Référence publication:
Size Effect in the Ionization Energy of PAH Clusters, C. Joblin, L. Dontot, G.A. Garcia, F. Spiegelman, M. Rapacioli, L. Nahon, P. Parneix, T. Pino, and P. Bréchignac, Journal of Physical Chemistry Letters 8, 3697–3702 (2017), 25 juillet 2017

Contact chercheur:
Christine Joblin, IRAP (CNRS/Université Paul Sabatier-Toulouse III)

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Source: CNRS-INP