De la MOlécule à la NAnoparticule : Couplage expériences/modèles pour révéler la physico-chimie complexe des plasmas hydrocarbonés – MONA

Le projet MONA vise à développer des modèles physiques et numériques multi-échelles prédictifs permettant des avancées significatives dans la compréhension des plasmas hydrocarbonés complexes hors-équilibre. Ce développement sera soutenu par des expériences dédiées fournissant des données d'entrée aux modèles et validant les résultats de sortie aux différents stades d'avancement. Ce fort couplage expériences/modélisations est l'une des valeurs ajoutées du projet, ces aspects étant généralement traités séparément dans les recherches sur ces plasmas. Le caractère innovant réside notamment dans l'objectif de décrire par une approche fiable et cohérente, le comportement complexe de ces milieux, depuis l'injection des molécules originales jusqu'à la formation des nanoparticules et la dynamique du plasma poussiéreux ainsi créé. Les caractéristiques des nanoparticules (tailles, charge, composition, structure) seront ainsi prédites par les modèles développés et comparées aux mesures expérimentales. L'objectif ultime est de disposer d'un outil numérique validé par l'expérience et capable de simuler et de prédire la physico-chimie des plasmas hydrocarbonés et les nano-objets produits.
Afin de mener à bien ce projet global décrivant ces milieux complexes sur de nombreuses échelles de temps et d'espace, les approches théoriques, numériques et expérimentales feront appel à un large champ de disciplines complémentaires permettant de couvrir les nombreux aspects inhérents au projet : physique et chimie quantique, dynamique moléculaire, modélisation fluide, diagnostics avancés des plasmas, caractérisation de matériaux. Ce projet fortement pluridisciplinaire explorera ainsi les différentes étapes de la "vie" d'un plasma hydrocarboné depuis 1) les premières réactions en phase plasma impliquant les molécules injectées et les premiers sous-produits, avec notamment les sections efficaces de collision électronique 2) l'interaction plasma/surfaces limitant le plasma, afin de déterminer les flux de molécules perdues par le plasma ou injectées dans celui-ci, en calculant les coefficients de collage sur la surface, 3) la croissance de macro-molécules et de clusters chargés électriquement à partir des molécules présentes dans le plasma en prenant en considération les interactions cluster-cluster, cluster-molécule, cluster-surface; cette étape marquera notamment la phase de nucléation des nanoparticules, 4) la croissance (notamment la phase critique de coagulation/agglomération), la charge (et ses fluctuations), la dynamique, la composition (par exemple la proportion d'hydrogène) et la structure (hybridations) des nanoparticules en formation et leur influence sur les propriétés et la stabilité du plasma.
Les implications de ce projet sont nombreuses, à la fois sur les aspects purement fondamentaux impliqués dans ces plasmas complexes, que sur les aspects applicatifs. De par son aspect fortement pluridisciplinaire, le projet permettra de lever de nombreux verrous scientifiques présents dans un vaste champ de domaines scientifiques. L'objectif final de MONA sera ainsi de développer un outil numérique prédictif permettant d'optimiser la conception et l'utilisation de procédés plasma dédiés à la synthèse de nanostructures et de films carbonés (nanoparticules, nanotubes, nanodiamants, nanocomposites) dont les champs d'application sont nombreux (capteurs, électronique, énergie, environnement, …). Une réelle percée dans l'éventail des applications pourra éventuellement voir le jour grâce au projet MONA qui fournira à la fois une meilleure connaissance et un meilleur contrôle de ces plasmas, mais qui sera également capable de prédire les caractéristiques des nanomatériaux produits en fonction des paramètres du procédé.