DS10 - Défi des autres savoirs

Caracterisation de la diversité de nanoparticules de carbone et d'hydrogène d'intérêt astrophysique. – PACHYNO

Résumé de soumission

Afin d'expliquer des bandes d'émission infrarouge (IR) spécifiques observées dans le milieu interstellaire (MIS) et connues sous le nom de bandes infrarouges aromatiques (AIB), la présence d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) a été proposée il y a environ 30 ans. Les porteurs des AIB sont également soupçonnés de contribuer fortement à la large bande d’absorption connue sous le nom de "bump" ultraviolet (UV) présente dans la courbe d'extinction interstellaire. Malgré un grand nombre d'études expérimentales et théoriques, la nature exacte des porteurs des AIB reste inconnue. La plupart des précédentes études expérimentales et théoriques se sont focalisées sur la spectroscopie électronique et vibrationnelle d'un ensemble limité de HAP relativement petits et plans. Le projet PACHYNO est dédié à l'étude de nanoparticules isolées à base de carbone et d'hydrogène dans le domaine de taille de 20 à 200 atomes comme porteurs potentiels des AIB. Le projet repose sur l’utilisation de méthodes de pointe computationnelles et expérimentales ainsi que leurs synergies sans sélection a priori d'espèces moléculaires. Expérimentalement, des analogues astrophysiques seront produits sous la forme d’une distribution de nanoparticules de carbone/hydrogène en utilisant une flamme basse pression et dont les signatures spectroscopiques seront mesurées. Dans la partie théorique, une exploration systématique et automatisée des structures moléculaires sera effectuée et les signatures spectroscopiques seront caractérisées.

La grande variété de nanostructures résultant de la riche allotropie du carbone et de la présence d'hydrogène sera explorée au moyen de simulations atomistiques en utilisant une approche combinant le champ de force réactif AIREBO et la méthode de liaisons fortes basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFTB). La variété des nanoparticules d'hydrocarbures sera étudiée en faisant varier la taille, les quantités relatives de carbone et d’hydrogène ainsi que des paramètres extérieurs tels que la température. La caractérisation systématique sera obtenue par une cartographie de ces structures selon des paramètres d’ordre qui tiennent compte des différents aspects des organisations structurale et chimique. De nouveaux paramètres issus de la physique des agrégats seront développés pour décrire ces nanoparticules.

En utilisant la DFTB ainsi que la DFTB dépendante du temps, les propriétés spectroscopiques des nanoparticules seront quantifiées de l’IR à l’UV en liaison avec les données expérimentales et astronomiques. Les simulations seront effectuées sur un vaste échantillonnage statistique. La caractérisation conjointe des hydrocarbures en termes structuraux, chimiques et spectroscopiques sera rationalisée en identifiant les corrélations pertinentes entre ces différentes propriétés. Notre ambition est de fournir des règles générales permettant de lier les caractéristiques spectrales aux propriétés structurales et chimiques telles que la taille, le rapport C/H ou les paramètres d'ordre.

Des mesures expérimentales des spectres d’émission IR et des spectres électroniques UV-visible seront effectuées à l'aide d'un dispositif existant développé à l’ISMO. Des hydrocarbures allant jusqu'à quelques nanomètres seront générés à l'aide d'une flamme basse pression qui peut produire des distributions d'espèces bien contrôlées et reproductibles. La comparaison entre résultats expérimentaux et théoriques fournira des informations sur l'organisation des nanoparticules en fonction des conditions expérimentales. Enfin, la comparaison avec les spectres astrophysiques fera progresser notre compréhension de la matière carbonée interstellaire et contribuera à améliorer les modèles de poussières en astrophysique. Ces progrès nourriront par ailleurs les futures missions spatiales telles que le télescope spatial James Webb (JWST) qui sera lancé en 2018.

Coordinateur du projet

Monsieur Cyril Falvo (Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISMO - CNRS IdeF SUD Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
LCPQ - CNRS MIDI-PYR Centre National de la Recherche Scientifique/Laboratoire de Chimie et Physique Quantiques
LIPhy - CNRS ALPES Laboratoire Interdisciplinaire de Physique

Aide de l'ANR 501 630 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2016 - 48 Mois

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