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Offre de stages, thèses et post-doc

par Grégoire DANGER - publié le , mis à jour le

Candidature Spontanée
Propositions de stage
Propositions de thèse
Propositions de Post-doctorat

Candidature Spontanée

Vous pouvez soumettre votre candidature pour un stage, une thèse ou un post-doc, en nous contactant directement. Nous Contacter

Propositions de stage

Année 2018

Niveau Master 2

-* Analyse par GC-MS de composés organiques volatiles provenant de glaces cométaires

Contacts : Grégoire Danger

Notre thématique concerne la compréhension de l’évolution de la matière organique lors de la formation du système Solaire et au sein des objets interplanétaires. Parmi ces objets, les comètes sont essentielles car elles font partie des objets les moins évolués du système Solaire A côté de ces comètes, les astéroïdes sont des objets ayant pu subir des altérations après leur formation, notamment par hydrothermalisme. Peu d’informations sont disponible sur la composition interne de ces objets. Les meilleures informations sont obtenues par l’analyse de météorites sur Terre, dont les corps parents sont ces comètes et astéroïdes.
Au sein de notre laboratoire, nous développons des systèmes expérimentaux permettant de simuler l’évolution de la matière organique lors de la formation de ces objets interplanétaires. Ces expérimentations apportent des informations essentielles concernant l’origine de la matière organique détectée dans les environnements cométaires et astéroïdaux, et servent aussi de support aux missions spatiales. Lors de ces simulations, un analogue de glace astrophysique (incluant par exemple H2O, CO, NH3, CH3OH) est déposé à basse température (10 K) et soumis à différents processus énergétiques (thermique, photochimique et/ou ionique). Cet analogue de glace est ensuite progressivement réchauffé jusqu’à 300K, permettant la sublimation des espèces les plus volatiles, et aboutissant in fine à la formation d’un résidu réfractaire "analogue" à un échantillon de matière organique météoritique.
Le sujet de ce stage s’intéresse à déterminer le lien qui peut exister entre la glace initiale, les composés organiques volatils qui subliment lors du réchauffement de cette même glace préalablement irradiée (photons UV), et les résidus organiques qui se forment après désorption des ces composés volatils. Lier ces trois phases est un élément essentiel pour comprendre les processus chimiques qui se déroulent lors de l’évolution de ces glaces. Par ailleurs, la compréhension de l’interaction glace/gaz/résidu permettra de définir à terme les outils analytiques nécessaires qui pourront être proposés pour de futures missions spatiales ayant pour objectifs l’analyse de la matière organique présente dans l’environnement de ces objets interplanétaires.
Le suivi de l’altération des glaces se fait in situ par spectrométrie infrarouge. L’analyse des composés organiques volatils (COV) se fait par GC-MS à partir d’un dispositif spécialement développé à cet effet au sein du laboratoire. L’analyse des résidus se fait par spectrométrie de masse très haute résolution (orbitrap) et par UHPLC-orbitrap.
L’étudiant recruté devra prendre en main le dispositif permettant la formation d’analogues de glace. Il devra avoir un intérêt fort pour la chimie analytique et des connaissances poussées en réactivité chimique. Il sera amené à utiliser la spectrométrie infrarouge. Le cœur du stage concernera la caractérisation par GC-MS des COV provenant de l’altération de ces analogues. Il devra évoluer en collaboration avec les autres parties de ce projet notamment celle concernant l’analyse des résidus organiques formés après le réchauffement de ces analogues.

Sujet :

-* The organic phase of black carbon nanoparticles

Contacts : Grégoire Danger ; Philippe Parent

Scientific background : On Earth, black carbon (BC) nanoparticles, or “soot”, are emitted directly into the atmosphere by combustion of fossil fuels and biomass. The sources are mainly anthropogenic : air, marine and land transports, residential heating and cooking, industry, and agricultural burning. In the atmosphere, BC strongly interacts with sunlight, and also acts as condensation nuclei, increasing the cloudiness, both effects influencing the Earth’s radiative balance. Atmospheric BC is then washed by rainfalls and contaminates seas, rivers and soils ecosystems. BC is also a strong pollutant in urban area, where it constitutes about 40 % in mass of breathable atmospheric aerosol particulate matter (PM) worldwide [1,2]. BC is also associated with serious health problems, including respiratory, cardiovascular, cerebrovascular diseases, and cancer [3]. Along with the size, a growing body of evidences indicate that the chemical composition of BC are key factors in its toxicity [4]. In general, BC is a mixture of organic carbon (OC) and elemental carbon (EC) [5]. The EC fraction is made of refractive carbon, with structure varying from amorphous to graphitic. The OC fraction is made of (semi-)volatile organic compounds (VOC), including polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) and other organic compounds, with possible mutagenic and carcinogenic effects [3,4]. The OC fraction also plays a strong role in the BC’s radiative impact [5], particularly through optical absorption between bonding and antibonding  orbitals of PAH species [6], mostly occurring at wavelengths of sunlight. Furthermore, soot particles are also found in abundance in the interstellar medium ; they are produced by cool carbon stars and expelled in the stars’ remnant before becoming a part of the interstellar dust [7]. They are observed through their spectral response (absorption, emission) to space radiations (UV, IR), which is the only information available to characterize their intimate physico-chemical structure, in particular their PAH content.
Scientific objectives of the internship : Widely used for BC characterization, monitoring and remote observations, spectroscopic methods are fairly indiscriminate for the structure of the OC phase, and must be complemented, when possible, by analytical chemistry measurements. Cross-checking spectroscopy and chemical analysis is an approach that we have recently undertaken in the particular case of soot emitted by a turbojet engine -whose particulate emissions are still poorly known, and largely unregulated- , with the purpose of assessing their radiative properties, their ice nucleation ability (which might depend on the hydrophilic nature of their surface, i.e. to the presence of organic species able to interact with water), and their eventual toxicity for the staff working around aircrafts at airports. Samples have been collected on a test bench of the SNECMA manufacturer, and submitted to a battery of microscopy and spectroscopy techniques for nanoscale characterizations (TEM, NEXAFS, XPS, FTIR) [8]. So far, only two analytical methods have been carried out : a thermo-optical analysis to obtain the gross OC/EC ratio, and laser induced desorption-time of flight spectrometry (L2MS) to specify the organic species adsorbed at the BC surface. L2MS, however, has a sensitivity to aromatic compounds far higher than to aliphatic ones, due to the wavelength of the desorbing laser [9], giving a fairly distorted picture of the chemical composition of the OC phase. To go further and complete this study, solvent-extracted gas chromatography-mass spectroscopy (SE-GC-MS) is a highly desirable method. It allows identifying and/or precisely quantifying many organic species, aromatic and aliphatic, even when present only in trace amounts. It has been already employed with success on aircraft soot during the NASA’s APEX 1-3 campaigns [10]. Put together with our previous spectroscopic data, it will provide an unprecedented accuracy in the description of the physico-chemical structure of these aerosols. The topics of this internship are : (1) to develop the experimental procedure for the solvent extraction, first using commercial BCs, and then on laboratory BC produced by a Mini-CAST burner, analogues of aircraft soot [11]. The student will optimize this crucial step in order to handle small amounts of soot samples (typically, aircraft samples are <3mg). (2) to characterize the solvent-extracted samples with GC-MS, analyze and interpret the data, and compare them with the L2MS results and our previous spectroscopic data. (3) To characterize the BC’s IR and UV/visible absorption spectra before and after extraction to reveal the specific spectral features related to the OC phase.

Sujet :

Propositions de thèse

Année 2018

-* Le GC-orbitrap comme analyseur de matière organique pour de futures missions spatiales

Contacts : Grégoire Danger

En 2013, le PIIM a développé avec un financement de l’ANR (ANR VAHIIA) un système novateur permettant d’analyser les composés organique volatils (COV) provenant du réchauffement d’analogues de glaces cométaires. Par rapport aux systèmes existants, l’approche développée est la seule actuellement qui permet de quantifier les espèces présentes au sein de la phase gazeuse. Cette quantification a ainsi été possible en couplant la chambre de simulation à un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse (GC-MS). Ainsi, les données obtenues peuvent être directement comparées aux observations. Cependant, le spectromètre de masse utilisé ne présentait qu’une résolution unitaire, rendant l’identification des COV difficile. En parallèle de ces analyses de COV, le PIIM a développé une stratégie analytique innovante permettant de tester les potentialités de la technologie FT-orbitrap qui est un analyseur de masse à très haute résolution, pour l’analyse de la matière organique réfractaire (résidus) formée lors des expérimentations. Cette matière organique étant considéré comme un analogue de la matière organique soluble de météorites, ces expérimentations ont permis de mettre en évidence la pertinence d’utiliser une telle technologie pour l’analyse de la matière organique d’objets astrophysiques. Le CNES soutient fortement ces deux démarches. Par ailleurs, la spatialisation de l’orbitrap est actuellement en cours de développement au sein du consortium CosmoOrbitrap à travers une opération de recherche et technologie du CNES.
Le présent demande a pour objectif de démontrer les potentialités apportées par le couplage d’un chromatographe en phase gazeuse à un spectromètre de masse haute résolution (GC-orbitrap financé par l’ANR, la région PACA et le CNES) pour l’analyse de COV issus d’objets astrophysiques. Le second objectif est de démontrer là aussi la capacité d’un tel système pour l’analyse de molécules cibles (acides aminés, sucres…) au sein d’analogues de matière organique du système solaire. Les échantillons analysés correspondront à des analogues de sol martien, d’aérosols de Titan, de volatils formés à partir de glaces d’Europe ou cométaire, ainsi que de résidus organiques analogues de matière météoritique.
Ce GC-orbitrap qui est une technologie de pointe, très récente, unique dans la communauté de planétologie, sera un élément central des recherches en astrochimie et astrophysique du Pôle de Sciences Planétaires de Marseille et de la région PACA. Les données issues de ces recherches seront donc les premières à être réalisées à partir d’une telle technologie dans un contexte de compréhension de l’évolution des objets interplanétaires et dans l’optique de démontrer l’intérêt d’une spatialisation d’un dispositif GC-orbitrap pour l’analyse in situ de la matière organique extraterrestre.
L’étudiant issu si possible d’un M2R avec spécialité en chimie analytique devra avoir de bonnes connaissances en spectroscopie infrarouge, chromatographie gazeuse (GC), chromatographie liquide haute performance (HPLC) et spectrométrie de masse. Des connaissances en chimie organique et en réactivité chimique seraient aussi appréciées.

Sujet :

-* Etudes préliminaires à l’analyse de données des futures missions d’exploration du système solaire : irradiation des glaces et formation de matière organique

Contacts : Grégoire Danger ; Olivier Mousis

Descriptif du projet (ne pas dépasser deux pages bibliographie comprise) :

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de la préparation des futures missions d’exploration du système solaire externe JUICE et Europa-Clipper adoptées par l’ESA et la NASA, devant être lancées vers le système des satellites de Jupiter aux alentours de 2025. Notre thématique concerne à la fois la compréhension de l’évolution chimique de la glace qui résulte de son irradiation, et celle des conditions de formation et d’évolution de la matière organique à partir de la genèse du système Solaire. L’étude des corps interplanétaires tels que les comètes est essentielle car ils font partie des objets les plus primitifs du système Solaire et permettent d’obtenir des informations sur l’origine de la matière organique. A côté de ces comètes, les astéroïdes sont des objets ayant pu subir des altérations après leur formation, notamment par hydrothermalisme. Peu d’informations sont disponibles sur la composition interne de ces objets. Les meilleures informations sont obtenues par l’analyse de météorites sur Terre, dont les corps parents sont généralement des astéroïdes. Il en ressort que les objets interplanétaires sont une source importante de matière organique pouvant être délivrée à la surface des planètes et satellites de notre système planétaire. Cette matière exogène aurait ainsi pu jouer un rôle dans l’émergence de la vie sur Terre. A côté de ces objets interplanétaires, certains satellites glacés (Europe, Encelade) sont des objets privilégiés pour la recherche d’environnements propices à l’émergence de systèmes vivants. La compréhension de la chimie se déroulant dans ces environnements est ainsi un point essentiel pour comprendre les dynamiques ayant cours au sein de ceux-ci et ainsi de déterminer quels types d’espèces chimiques pourraient être disponibles pour l’émergence de systèmes vivants.

L’équipe d’astrochimie du PIIM développe des systèmes expérimentaux permettant de simuler l’évolution de la matière organique aux seins de ces objets, les conditions expérimentales étant contraintes par les observations et modélisations du LAM. Ces expérimentations apportent des informations essentielles concernant l’origine de la matière organique détectée dans les environnements d’objets interplanétaires et de satellites glacés. Lors de ces simulations, un analogue de glace astrophysique représentatif de l’objet à étudier est déposé à basse température (minimum 10 K) et soumis à différents processus énergétiques (thermique, photochimique et/ou ionique). Cet analogue de glace est ensuite progressivement réchauffé jusqu’à 300K, permettant la sublimation des espèces les plus volatiles, et aboutissant in fine à la formation de résidus réfractaires "analogues" à un échantillon de matière organique de ces objets. Un système de simulation expérimentale d’environnements astrophysiques unique a été ainsi développé et permet à la fois d’étudier les glaces, la matière organique solide formée lors de leur évolution ainsi que les composés organiques volatils sublimant des glaces ou des résidus altérés.

Le sujet de thèse s’intéresse à déterminer le lien qui peut exister entre la glace initiale, les composés organiques volatils qui subliment lors du réchauffement de cette même glace préalablement irradiée (photons UV, électrons, ions), et les résidus organiques qui se forment après désorption de ces composés volatils. Lier ces trois phases est un élément essentiel pour comprendre les processus chimiques qui se déroulent lors de l’évolution de ces glaces. Par ailleurs, la compréhension de l’interaction glace/gaz/matière organique réfractaire permettra de définir à terme les méthodologies analytiques nécessaires qui pourront être proposées pour de futures missions spatiales ayant pour objectifs l’analyse de la matière organique présente dans l’environnement de ces objets interplanétaires. Nous pourrons déterminer par exemple en quoi une analyse de la phase gazeuse peut amener des informations sur la composition de la surface d’objets astrophysiques et quelle pourrait en être les limites.

Nous appuierons de plus nos recherches sur quatre outils analytiques déjà développés pour le spatial (spectroscopie infrarouge et GC-MS), ou en cours de développement (orbitrap et HPLC). La caractérisation de l’altération des glaces par des irradiations VUV, d’ions ou d’électrons, suivie d’un réchauffement se fait in situ par spectrométrie infrarouge. L’analyse des composés organiques volatils se fait par GC-orbitrap à partir d’un dispositif spécialement développé à cet effet. L’analyse des résidus se fait par spectrométrie de masse très haute résolution (orbitrap) et par UHPLC-orbitrap. Ainsi à la fin de cette thèse nous déterminerons la faisabilité d’unifier ces quatre outils au sein d’une mission spatiale ayant pour objectif scientifique l’analyse de la matière organique au sein d’objets interplanétaires ou à la surface de satellites glacés. Ces informations seront essentielles pour le design de futures missions spatiales proposées par la LAM, et pour venir enrichir les modèles d’évolution de la matière au sein des corps du système solaire.

Cette thèse se déroulera en codirection entre l’équipe ASTRO du laboratoire de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires (directeur de thèse Grégoire Danger) pour la partie expérimentation, et l’équipe GSP du laboratoire d’Astrophysique de Marseille (codirecteur de thèse Olivier Mousis) pour l’aspect modélisation et contraintes observationnelles.

L’étudiant issu si possible d’un M2R avec spécialité en physico-chimie devra avoir de bonnes connaissances en chimie analytique, et présenter un fort intérêt pour la planétologie.

Sujet :

Propositions de Post-doctorat

Non disponible.