Tutelle du CNRSMONARIS (UMR 8233) de la Molécule aux Nano-objets : Réactivité, Interactions et Spectroscopies

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De la Molécules aux agrégats

Thème 1 : Espèces moléculaires d’intérêt atmosphérique et astrophysique

Coordinateur: Lahouari Krim (PR2 UPMC)

Monaris

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Depuis plusieurs années, nos travaux sont centrés sur les études en laboratoire nécessaires à la compréhension des phénomènes physiques ayant lieu dans les milieux atmosphériques, planétologiques ou astrophysiques. Ces travaux présentent deux volets complémentaires, des études en phase gazeuse destinées à apporter des méthodes de modélisation et des valeurs de paramètres spectroscopiques nécessaires au dosage d’espèces moléculaires atmosphériques, des études de réactions chimiques susceptibles de se produire dans les nuages interstellaires, en phase condensée ou à la surface de grains de glace.

Notre savoir-faire expérimental repose d’une part sur la maîtrise de techniques d’isolation en matrice de gaz rare mimant la phase diluée à très basse température et d’expériences en phase condensée à des températures pouvant descendre jusqu’à 3 K, ces deux techniques permettant de suivre les étapes élémentaires de réactions chimiques complexes, d’autre part sur la maitrise de techniques d’étude en phase gazeuse de systèmes moléculaires à des températures mimant les atmosphères terrestre ou de planètes (90-300 K) et avec des parcours optiques de plusieurs dizaines de mètres.

D’un point de vue théorique, notre savoir-faire nous permet de modéliser à toute pression et toute température les profils d’absorption infrarouges de molécules en phase gazeuse. Pour les cinq années à venir, nous souhaitons mettre particulièrement l’accent sur le développement de nouveaux dispositifs expérimentaux afin d’élargir la gamme des systèmes étudiables ainsi que sur l’approfondissement des méthodes théoriques nous permettant d’étayer notre compréhension de systèmes atomiques et moléculaires nouveaux :

  • Pour la phase condensée ou isolée en matrice, systèmes (molécules, radicaux ou ions), de plus en plus complexes, allant jusqu’à des systèmes prébiotiques nous permettant donc une orientation vers l’astrobiochimie de laboratoire,
  • Pour la phase gazeuse, systèmes moléculaires instables tels que molécules réactives, ions, radicaux libres ... pour lesquels la précision des études en laboratoire doit être améliorée pour aller à terme jusqu’à la précision actuellement obtenue sur les systèmes stables.
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Thème 2 : Complexes moléculaires : interaction faible et réactivité

Coordinateur : Pierre ASSELIN (CR1*)

Monaris

Crédit

L’étude des interactions non-covalentes entre molécules est d’un intérêt fondamental dans de nombreux domaines scientifiques, en particulier pour la chimie atmosphérique, l’astrophysique et la biologie.

La spectroscopie infrarouge est une sonde performante des interactions non-covalentes, qui fournit des données structurales sur des états vibrationnellement excités de complexes moléculaires à liaison hydrogène ou van der Waals, qui met en évidence des perturbations rovibrationnelles induites par la dynamique vibrationnelle, et qui aide à comprendre l’organisation de la structure dans des complexes de taille croissante par l’addition de solvant à l’échelle moléculaire. Avec le support essentiel des calculs de chimie quantique, l’étude expérimentale de briques modèles et des mécanismes de solvatation en phase gazeuse peut apporter des réponses précises sur les structures de différents conformères, sur le rôle des modes intermoléculaires par rapport à l’anisotropie de cette interaction et sur l’architecture des réseaux de liaison hydrogène, enfin sur le rôle de stabilisation joué par les liaisons hydrogène intra- et intermoléculaires, en particulier dans les processus d’hydratation.

Notre équipe s’implique depuis plusieurs années dans la caractérisation structurale et dynamique de complexes moléculaires à liaison hydrogène. Nos montages expérimentaux, qui combinent la spectroscopie IRTF et des dispositifs d’absorption en phase gazeuse (jet supersonique, cellule thermostatée) ont atteint leurs limites de détection dans le moyen IR avec des modes intenses du donneur de proton dans des complexes moléculaires d’énergie de liaison de l’ordre de 20 kJ/mol (acides forts donneurs de proton). Pour aller plus loin dans cette thématique, nos investigations doivent porter sur des complexes plus difficiles à produire, soit parce qu’ils sont faiblement liés (complexes d’intérêt atmosphérique ou astrophysique), soit parce qu’ils mettent en jeu des composés à faible tension de vapeur à température ambiante (molécules d’intérêt biologique), soit enfin parce que l’un des partenaires est une espèce instable ou réactive (radical, ion...).

Nous souhaitons développer au cours du prochain contrat un programme de recherches ambitieux sur les complexes moléculaires hydratés. Les propriétés exceptionnelles de l’eau sont indissociables de sa capacité à former des liaisons hydrogène : sa liaison covalente O-H fortement polaire lui permet d’interagir de manière électrostatique, soit entre le donneur de proton O-H et tous les centres électronégatifs des molécules voisines (un atome d’oxygène d’une autre molécule d’eau, un groupe carbonyle ...), soit entre l’atome d’oxygène accepteur de proton et un groupe donneur de proton voisin. La directivité de la liaison hydrogène permet de former des liaisons O-H.......O alignées avec l’axe des liaisons de valence qui leur sont associées et d’obtenir des architectures moléculaires bien définies, comme dans la glace ou dans l'eau à courte distance, ou dans les molécules biologiques.

Ce programme sera axé sur l’étude (ro)vibrationnelle de différentes bases associées à l’eau, en commençant par CO2, NH3 et le glycolaldéhyde (HOCH2-CH=O) en nous appuyant sur des moyens expérimentaux et théoriques qui vont être maintenant décrits.

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