Contribution des ions lourds à la formation de molécules complexes carbonées dans l'espace interstellaire
Publié par Redbran le 21/09/2018 à 12:00
Source: CEA-IRAMIS

© Encelade mission Cassini, vue d'artiste - NASA
La possible contribution des ions lourds à la formation de molécules complexes carbonées dans l'espace interstellaire: expériences et modélisations

Nous vivons dans un univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) moléculaire avec plus de 200 petites molécules identifiées dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est...) et l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) de molécules organiques complexes dans les atmosphères planétaires, comme les lunes de Saturne. Afin d'étudier les processus conduisant à la formation de ces molécules, une équipe du CIMAP a mené des études sur la complexification moléculaire au sein d'agrégats de molécules carbonées induite par la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) avec des ions. Les études expérimentales menées au GANIL à Caen ont été complétées par des simulations et des calculs théoriques menées dans le cadre du laboratoire collaboratif international DYNAMO (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par...). Ces études montrent le rôle particulier des collisions avec des ions et des atomes en raison de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) singulière de ces particules massives avec la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...).

Les molécules identifiées dans le milieu interstellaire montrent une complexification moléculaire importante allant de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de...) de dihydrogène aux fullerènes (cage moléculaire d'atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) en forme de ballon de football) [1]. Plus proche de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...), la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ...) Cassini (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'Agence spatiale européenne (ESA) et l'Agence...), dont la mission s'est terminée en septembre 2017, a permis d'observer des molécules complexes dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le...) des lunes de Saturne: ainsi le brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques saturées...) orange typique de Titan (Cliquez sur l'image pour une description) est dû à la formation de particules d'aérosol (Un aérosol est un ensemble de particules, solides ou liquides, d'une substance chimique donnée en suspension dans un milieu gazeux. Émis par les activités humaines ou naturelles, les...) dans une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de diazote et de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il est...) [2] et de "grandes" molécules organiques ont été observées dans les geysers émis sur Encelade [3].


Spectre de masse expérimental (rouge) obtenu à l'issu de la collision entre des ions Ar+ de 3 keV avec des agrégats neutres de C60. L'unité de masse est celle du carbone 12. En bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm. Elle varie en luminosité du cyan...) spectre de masse obtenu par dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de particules au cours du temps. Ces simulations servent de modèles structuraux et dynamiques pour la compréhension de...) classique. À gauche (a et c), autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de la masse du C60+. A droite (b et d) autour du dimère [C60]2+.

Deux voies sont à considérer pour former des molécules de plus en plus complexes: la croissance moléculaire par agrégation de petites "unités", ou l'émission de grosses molécules par fractionnement d'un amas de matière, suite à un brutal apport externe d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (chauffage, collision ou par irradiation). L'étude menée au Ganil porte sur des objets intermédiaires: des agrégats faiblement liés de molécules carbonées, comme les fullerènes ou les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP, molécules généralement planaires présentant une structure en nid (Le nid désigne généralement la structure construite par les oiseaux pour contenir leurs œufs et fournir un premier abri à leur progéniture. Les nids sont généralement fabriqués à...) d'abeille). Pour ces objets, les deux voies peuvent coexister: la formation de molécules au sein de l'agrégat ou l'émission de molécules complexes par ce réservoir de matière. Dans cette étude l'apport d'énergie, déclencheur (En programmation procédurale, un déclencheur (trigger en anglais) est un dispositif logiciel qui provoque un traitement particulier en fonction...) de la formation des molécules, provient de la collision avec des ions de basse énergie. Ces ions sont en effet présents dans le vent solaire (Le vent solaire est un flux de plasma constitué essentiellement d'ions et d'électrons qui sont éjectés de la haute atmosphère du Soleil. Pour les étoiles autres que le Soleil, on parle...) ou dans la magnétosphère (La magnétosphère est la région entourant un objet céleste dans lequel les phénomènes physiques sont dominés ou organisés par son champ magnétique.) de Saturne et peuvent interagir avec les atmosphères de ses lunes. L'étude s'impose d'autant plus que, si ces ions sont peu présents, leur efficacité pour "bousculer la matière" est très forte, du fait de la spécificité de l'interaction ion/matière qui résulte de la masse du projectile ionique.

Une première étude [4] montre en effet que la masse des projectiles atomiques est à l'origine d'une complexification moléculaire au sein d'agrégats de pyrène (molécule HAP). En utilisant différents ions de masse et vitesse (On distingue :) différentes, on observe que les processus de croissance moléculaire sont favorisés par collisions avec des ions lourds et lents. C'est-à-dire, lorsque l'interaction entre le projectile ionique et les noyaux atomiques constituant les molécules (ou pouvoir d'arrêt nucléaire) domine l'interaction entre l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant,...) et le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de...) électronique moléculaire (pouvoir d'arrêt électronique).

Dans ce régime, dominé par un fort pouvoir d'arrêt nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), les collisions d'ions "lourds" (ions Ar+), dont l'énergie (3 keV) leur confère une vitesse de l'ordre de celle de la propagation d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) dans l'agrégat initial, ont été plus particulièrement étudiées [5]. Les produits formés, lors de la collision avec des agrégats faiblement liés de fullerènes, sont majoritairement des molécules covalentes.


Quelques structures formées à l'issue de simulations par dynamique moléculaire classique, lors de la collision entre un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) d'argon de 3 keV et un agrégat de 24 molécules de C60. À droite, le composé C1294 est la plus grande structure obtenue. Elle présente un caractère "arophatique" (assemblage de molécules aromatiques (cycliques) avec des chaines aliphatiques). De tels grains peuvent être à l'origine des bandes continues infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des...), observées dans les spectres de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...) issus des milieux interstellaires.

Les résultats expérimentaux sont très bien reproduits par des calculs de dynamiques moléculaires classiques. Ils montrent que la collision entre le projectile et les noyaux des molécules est l'élément déclencheur de la réactivité: comme lors d'un "carreau" à la pétanque, des atomes très réactifs sont émis par la molécule impactée et vont réagir efficacement avec les molécules adjacentes de l'agrégat. Jusqu'à seize molécules peuvent réagir 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...) [6] ! Les simulations montrent aussi que les espèces formées sont de type "arophatique", avec des structures aromatiques (sous la forme de cages de fullerène plus ou moins complètes) reliées entre elles par des chaines carbonées (composés aliphatiques). De telles espèces sont considérées comme sources d'émission infrarouge sans spécificités [7].


À gauche: spectre de masse des espèces covalentes formées par la réactivité entre une molécule de fullerène et une de coronène. Les produits peuvent être précisément identifiés, pour être en accord avec l'abondance isotopique du 13C. À droite, distribution des molécules selon leur nombre d'atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (11 pour l'espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou...) principale). Au-dessus: une structure calculée de l'espèce C60C24H11.

En étudiant des agrégats mixtes composés d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) de fullerène et de coronène (un HAP), on montre que les collisions ioniques induisent une réactivité entre les différentes espèces moléculaires présentes, conduisant à des structures complexes originales [8]. Ces espèces sont identiques à celles déjà observées au laboratoire par l'équipe de Harold W. Kroto (le découvreur du fullerène), mais sont ici produites avec un rendement très supérieur à celui résultant d'un chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...) [9].

L'étude montre ainsi toute la richesse de l'interaction entre des ions de faible énergie et la matière telle qu'on peut la trouver au sein des atmosphères planétaires. L'efficacité des processus mis en évidence indique qu'ils peuvent être importants dans la formation des molécules complexes, indispensables à l'émergence de la vie (La vie est le nom donné :) telle que nous la connaissons sur notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité...) Terre.

Références:

[1] "The molecular universe",
A. G. G. M. Tielens, Rev. Mod. Phys. 85, 1021 (2013)

[2] "Titan tholins: simulating Titan organic chemistry in the Cassini-Huygens era"
M. L. Cable, S. M. Hörst, R. Hodyss, P. M. Beauchamp, M. A. Smith, P. A. Willis, Chem. Rev. 112, 1882 (2012).

[3] "Macromolecular organic compounds from the depths of Enceladus"
F. Postberg, N. Khawaja, B. Abel, G. Chobler, C. R. Glein, M. S. Gudipati, B. L. Henderson, H.-W. Hsu, S. Kempf, F. Klenner, G. Moragas-Klostermeyer, B. Magee, L. Nölle, M. Perry, R. Reviol, J. Schmidt, R. Srama, F. Stolz, G. Tobie, M. Trieloff, J. H. Waite, Nature 558, 564 (2018)

[4] “Molecular growth inside of polycyclic aromatic hydrocarbon clusters induced by ion collisions”
R. Delaunay, M. Gatchell, P. Rousseau, A. Domaracka, S. Maclot, Y. Wang, M. H. Stockett, T. Chen, L. Adoui, M. Alcamí, F. Martín, H. Zettergren, H. Cederquist, B. A. Huber, J. Phys. Chem. Lett. 6, 1536 (2015)

[5] “Solar wind (WIND est un satellite de la NASA lancé le 1er novembre 1994 depuis la base de Cape Canaveral par un lanceur Delta II. De forme cylindrique de 2,4 mètres de diamètre pour 1,8 mètres de...) shock wave gives ions a push”
K. Wright, Physics 11, 83 (2018).

[6] “Shock-driven formation of covalently bound carbon nanoparticles from ion collisions with clusters of C60 fullerenes”
R. Delaunay, M. Gatchell, A. Domaracka, L. Adoui, H. Zettergren, H. Cederquist, P. Rousseau, B. A. Huber, Carbon 129, 766 (2018)

[7] “Mixed aromatic-aliphatic organic nanoparticles as carriers of unidentified infrared emission features”
S. Kwok, Y. Zhang,Nature 479, 80 (2011).

[8] “Ion collision-induced chemistry in pure and mixed loosely bound clusters of coronene and C60 molecules”
A. Domaracka, R. Delaunay, A. Mika, M. Gatchell, H. Zettergren, H. Cederquist, P. Rousseau, B. A. Huber, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 15052 (2018)

[9] “Metallofullerene and fullerene formation from condensing carbon gas under conditions of stellar outflows and implication to stardust”
P. W. Dunk, J.-J. Adjizian, N. K. Kaiser, J. P. Quinn, G. T. Blakney, C. P. Ewels, A. G. Marshall, H. W. Kroto, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 18081 (2013).

Contact CEA-IRAMIS: Patrick Rousseau (Equipe AMA., CIMAP).

Collaboration:

R. Delaunay, A. Mika, A. Domaracka, L. Adoui, B. A. Huber, P. Rousseau
Laboratoire CIMAP, UMR 6252, Normandie université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...), ENSICAEN, UNICAEN, CEA, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), 6 Boulevard (Au sens premier, un boulevard est une voie de communication reposant sur d'anciens remparts, puisque le mot vient du néerlandais bolwerc signifiant rempart. Il permet donc de contourner une...) du Maréchal Juin, 14050 Caen Cedex, France

M. Gatchell, H. Zettergren, H. Cederquist
Université de Stockholm, Suède

Y. Wang, M. Alcamí, F. Martín
Université Autonome de Madrid (Madrid est la capitale de l'Espagne. Ville la plus vaste et la plus peuplée du pays, c'est le chef-lieu de la Communauté autonome de Madrid qui appartient à la province de Madrid. Elle abrite également le siège...), Espagne
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