Formation et réactivité des aérosols carbonés dans les atmosphères planétaires – FRAPA

ces études ont nécessité la construction d'un nouveau dispositif original basé sur l'utilisation d'une méthode « pompe-sonde » appliquée dans la gamme µs-ms, où un faisceau d'ions est utilisé pour induire une croissance moléculaire créant de nouvelles molécules, qui sont encore plus performantes. analysé par un faisceau laser interagissant avec les produits piégés dans un piège électrostatique linéaire (type Zajfman). Une telle méthode n'a jamais été appliquée pour ces grands systèmes et promet d'obtenir des résultats originaux concernant la stabilité, la durée de vie, la structure et les conditions de liaison, d'autant que les expériences seront accompagnées de calculs théoriques.

Dans le présent projet, nous proposons d'étudier les mécanismes de croissance et de destruction des particules induits par la collision d'ions avec des clusters contenant du carbone faiblement liés (petites molécules d'hydrocarbures, molécules de HAP, ferrocène, acides aminés, etc.).

Dans le cadre de ce projet, plusieurs avancées ont été obtenues :

• Un développement d'un nouveau dispositif expérimental pompe-sonde basé sur un piège électrostatique qui permet de préparer des cibles complexes et d'identifier clairement les produits de réaction finaux par spectrométrie de masse en tandem (avec deux faisceaux ionisants : les ions comme pompe et les photons comme sonde) ;

• Une étude théorique des structures de clusters de 1,3-butadiène en utilisant différentes méthodes de chimie quantique ;

• Une preuve de la formation induite par les photons de molécules prébiotiques qui sont considérées comme des éléments constitutifs de la vie ; par exemple la formation de liaisons peptidiques dans le dimère de sérine protoné suite à une excitation induite par des photons;

• Une étude de la dynamique de fragmentation du ferrocène organométallique induite par la collision avec des ions;

• Étude de la rupture et de la formation de liaisons dans des clusters mixtes de molécules de fullerène et de coronène induites par impact ionique.

Le laboratoire CIMAP est un laboratoire de recherche multidisciplinaire où les domaines scientifiques vont de l'interaction ion-matière aux matériaux pour lasers, photonique et électronique. Le projet proposé est lié aux activités de recherche de l’équipe AMA, spécialisée dans les études des mécanismes de relaxation de systèmes moléculaires excités en phase gazeuse après interaction avec des ions (stabilité, dissociation des molécules et des agrégats moléculaires, etc.). Le CIMAP est situé à proximité de différentes lignes de faisceaux d'ions du GANIL, un outil unique pour étudier les interactions des ions avec la matière. Les installations expérimentales développées au CIMAP peuvent être utilisées à toutes les énergies de faisceau disponibles. De plus, le CIMAP est une plateforme d’accueil, ce qui signifie que des scientifiques locaux aident les chercheurs externes à utiliser les installations d'irradiation du GANIL pour des études sur les collisions atomiques et moléculaires, la science des matériaux, etc. Ainsi, naturellement, une fois que le dispositif expérimental proposé dans ce projet sera opérationnel, il sera ouvert aux collaborations avec des utilisateurs externes via l’installation GANIL-CIMAP pendant des périodes bien au-delà de l’échelle de temps du projet actuel. Par conséquent, cette proposition contribuera non seulement aux domaines de l'astrochimie, de l'astrophysique et de la physique atmosphérique, mais également aux domaines pouvant être liés à la radiobiologie et au traitement du cancer, car il sera également possible d'étudier avec l'approche proposée les interactions des ions avec des radiosensibilisants et des systèmes biomoléculaires complexes.

L’objectif principal du projet FRAPA est de mieux appréhender l’évolution physico-chimique des atmosphères planétaires comme celle de la Terre ou de Titan ainsi que la distribution de particules dans le milieu interstellaire. A cette fin, il est essentiel d’étudier les mécanismes de formation, de croissance et de destruction de nanoparticules carbonées induits par les rayonnements ionisants. Les particules carbonées sont variées allant des grandes molécules à des systèmes de taille nanométrique. Sur Terre, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont produits lors de la combustion et constituent des intermédiaires cruciaux dans la formation et la croissance des particules de suies. Dans l’espace, les particules carbonées sont produites dans les jets d’étoiles riches en carbone où des chaines carbonées grandissent en HAP ou fullerènes. Dans cette approche ascendante ces molécules s’agrègent en structures plus grandes pour conduire aux nanoparticules. Toutefois, l’origine de ces grandes espèces carbonées et des squelettes hétérocycliques (azotés ou oxygénés) les constituant demeure toujours incomprises.

Dans le cadre du projet FRAPA, nous proposons d’étudier la croissance de particules et leurs mécanismes de destruction induits par la collision d’ions avec des agrégats carbonés non covalents (agrégats de HAP purs ou hétérogènes avec de l’eau ou de l’ammoniac, de petits hydrocarbures). A cette fin, un équipement expérimental pompe-sonde original sera développé pour la première fois avec des ions pour la pompe et des photons pour la sonde. Ce dispositif permettra de préparer des systèmes complexes et d’identifier clairement les produits finaux de réaction par spectrométrie de masse. L’objectif est d’obtenir des informations détaillées sur ces produits de réaction (taille, structure, stabilité et durée de vie). Le projet bénéficiera grandement une support théorique (en collaboration avec LCPQ, Toulouse et UAM, Madrid) de l’accès aux différentes lignes de faisceau du GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, Caen, France) permettant l’étude de la fragmentation et de la réactivité des systèmes d’intérêt sur une large gamme d’énergie cinétique des ions allant du keV au GeV. Ainsi différents mécanismes peuvent être induits par l’énergie potentiel, le pouvoir d’arrêt nucléaire, l’excitation électronique ou l’ionisation. Les ions disponibles permettent ainsi de modéliser le vent solaire ou les ions piégés dans la magnétosphère des grandes planètes mais aussi le rayonnement cosmique.

Résument, les études envisagées permettront de répondre à certaines questions relatives à la dynamique de fragmentation et à la réactivité de systèmes moléculaires complexes (par exemple, la croissance et la formation de nouvelles molécules) induites par la collision avec des ions. Ainsi le projet FRAPA contribuera à des avancées aussi bien dans les domaines de l’astrophysique et astrochimie (par exemple, la formation de molécules prébiotiques ou la formation de poussières) que dans la recherche atmosphérique (phénomène de nucléation, formation d’aérosols, vieillissement des nanoparticules).