Croissance d'Agrégats et Fusion: Nouvelles Avancées – GAMES

La formation des nanoparticules est d’une grande importance pour de nombreuses disciplines, de la science des matériaux à la physico-chimie de l’atmosphère. Elle peut être vue comme une transition de phase gaz-liquide ou liquide-solide, qui se produit via la formation de germes au sein d'un processus appelé nucléation encore très mal compris. Lorsque des gouttelettes se forment, la taille critique au-dessus de laquelle les gouttelettes croissent plus vite qu’elles ne s’évaporent est de l’ordre de la dizaine à quelques centaines de molécules. Les théories basées sur les concepts de thermodynamique classique sont mal adaptées à ces petites tailles dont une meilleure description est requise. Un paramètre essentiel est la section efficace de collage dont la dépendance avec la taille reste largement inexplorée. Dans le projet ANR NUCLEA, nous avions développé un dispositif expérimental original pour mesurer ce paramètre sur des agrégats triés en masse. Grâce à ce montage, de nouvelles questions concernant la nucléation peuvent être abordées, par exemple les effets de charge. Il est maintenant bien établi que la condensation a lieu préférentiellement à partir de germes chargés. Une controverse existe sur la croissance préférentielle à partir de particules chargées négativement plutôt que positivement. La présence d’impuretés dans les germes de condensation joue aussi un grand rôle.
Nous étudierons aussi la fragmentation des agrégats induite par collisions avec des atomes ou des molécules. A des énergies de quelques eV à quelques centaines d’eV, nous avons déjà montré que le transfert d’énergie entre le projectile moléculaire et l’agrégat est incomplet, voire très faible. Il s’ensuit un phénomène de semi-transparence de l’agrégat vis-à-vis de la molécule incidente qui peut être rapproché, dans une certaine mesure, d’un phénomène similaire observé à haute énergies de collisions lors de l’interaction de particules énergétiques (des dizaines ou centaines de keV) avec la matière (« stopping power », pic de Bragg) au cours de laquelle dominent les interactions électroniques, alors que dans notre cas ce sont les interactions noyaux-noyaux qui sont prépondérants.
Nos expériences de nanocalorimétrie permettent de mesurer les propriétés thermodynamiques de petits agrégats à partir de leur courbe calorifique. Leurs températures de fusion et chaleurs latentes associées sont radicalement différentes de celles de la phase macroscopique et varient de façon non monotone à l’échelle microscopique. Etablir un lien entre les échelles moléculaire et capillaire est particulièrement important en ce qui concerne la nucléation et la nanocalorimétrie. Des expériences de nanocalorimétrie seront également menées pour étudier l’effet de la charge ou de la présence d’impuretés sur la courbe calorique des agrégats.
Des simulations moléculaires explicites seront menées à bien pour étudier l’influence de la chimie et des interactions sur les propriétés thermodynamiques et de nucléation d’agrégats d’eau neutres ou chargés. Plus généralement, les rôles des impuretés et de la dynamique vibrationnelle spécifique aux collisions sur la section efficace de collage seront étudiés par dynamiques moléculaires classique et quantiques.