Surfaces, Interfaces, Réactivité

L’axe « Surfaces, Interfaces, Réactivité » concerne essentiellement les équipes ASTRO, H2M et PS qui développent à la fois des études théoriques et expérimentales très fondamentales sur les mécanismes élémentaires d’interaction entre atome, ion ou molécule et surface, et des applications en astrochimie, astrophysique, en fusion magnétique ainsi que dans le développement de matériaux bidimensionnels et leurs interactions avec des molécules simples, agents passivants et/ou dopants. La thématique « Astrochimie » qui a une très bonne visibilité est principalement expérimentale et s’inscrit dans les grands programmes nationaux (PCMI, PNP,..) ainsi que le CNES. Elle vise à retracer l’évolution chimique de la matière organique dans les environnements stellaires ou planétaires, ainsi que la forme sous laquelle peut être présente la matière organique au sein d’environnements astrophysiques en ayant recours à des expériences de simulation en laboratoire. Nous reproduisons les premiers matériaux de l’univers, que sont les grains de poussières interstellaires, et les différents processus énergétiques (effets thermiques, photochimiques,…) auxquels ils ont été soumis afin d’établir le lien entre les constituants primitifs des glaces et les molécules organiques détectées dans les régions de formation d’étoiles, dans les comètes ou les météorites. Pour cela, différentes approches sont développées. La première approche, basée sur l’étude de la réactivité entre plusieurs molécules simples détectées dans les environnements astrophysiques soumis à un seul processus d’altération physique à la fois, consiste à déterminer les mécanismes réactionnels qui pourraient mener à la formation de ces molécules. La seconde approche consiste à simuler expérimentalement en laboratoire et de manière globale les conditions de formation et d’évolution de la matière organique du nuage moléculaire dense aux systèmes planétaires. Ici, les molécules initialement présentes dans les glaces sont soumises à plusieurs processus physiques auxquels elles sont susceptibles d’être soumises dans un environnement astrophysique comme les comètes. Plus particulièrement, on s’intéresse à caractériser les composés organiques volatils émis par le réchauffement des glaces (projet ANR jeune chercheur VAHIA 2013-2016) ainsi que les résidus organiques réfractaires formés à partir de la sublimation des espèces les plus volatiles. Dans le cadre du projet ANR PEPTISYSTEMS (2014–2019) une collaboration s’est établie avec Robert Pascal de l’IBMM (Université de Montpellier) sur la formation d’oligopeptides et leur évolution sur la Terre Primitive.
Nous étudions également la photodynamique et la photoréactivité moléculaires à basse température, en phase condensée (isolement en matrices) ou en phase diluée (jet ou isolement en piège à ions) par spectroscopie électronique, vibrationnelle ou de masse. Ces études concernent d’une part la formation et la réactivité de molécules d’intérêt astrophysique et en relation avec la chimie de Titan. Elle concerne d’autre part, l’étude de la réactivité des molécules protonées, pour lesquelles peu de données expérimentales existent et qui a fait émerger de nombreuses questions fondamentales quant à leurs propriétés optiques et leur réactivité. Ce travail fait partie du programme de recherche du LIA France – Argentine « Laboratoire de structure et réactivité des molécules, ions et radicaux en phase gazeuse » LEMIR, porté par notre laboratoire, qui a été accepté en 2016.
Une étude de l’influence d’une interface gaz/solide à l’équilibre thermodynamique à basse température sur la conversion de spin nucléaire de molécules en équilibre thermodynamique avec cette glace, en sondant la phase gazeuse par spectroscopie infrarouge a été réalisée en collaboration avec le LPMAA dans le cadre de l’ANR blanc GASOSPIN (2009-2013).
Plusieurs expériences, permettant d’étudier dans des conditions maîtrisées l’interaction plasma – surface, sont développées pour une meilleure compréhension des processus fondamentaux depuis l’érosion jusqu’à la création d’ions négatifs en surface. Pour ce faire, nous disposons de moyens expérimentaux de science des surfaces (spectromètre de pertes d’énergie à haute résolution, microscopie à effet tunnel, microscopie à force atomique, spectroscopie de photoémission X et UV,…) et de sources et générateurs de milieux dilués, ainsi que de nombreux diagnostics de caractérisation (générateurs de faisceaux d’ions, de faisceaux d’atomes de différentes énergies, générateur de plasma radio-fréquence ou micro onde, spectromètres de masse, fluorescence induite par laser,…). Nous nous intéressons également à la réactivité physico-chimique, suite à l’exposition de matériaux à des bombardements ioniques ou à des plasmas, afin de mieux comprendre ou prévoir leur évolution. Pour cela, des informations sur leur structure, leur texture, leur porosité et leur composition sont obtenues par différentes techniques complémentaires (spectroscopie Raman, spectroscopie infrarouge, la thermo-désorption, la microscopie électronique à balayage, en transmission, à force atomique et les isothermes d’adsorption).
Nous développons aussi des études très fondamentales en nanosciences et sciences des surfaces comme par exemple, la croissance du graphène, silicène et germanène, leurs réactivités vis à vis de molécules simples telles que l’hydrogène et l’oxygène, ainsi que la fonctionnalisation et le dopage avec des molécules organiques.
Des études théoriques (de structure électronique, de systèmes macroscopiques dans des conditions réelles de pression et température) sont menées, en complément des études expérimentales grâce à des développements de simulations ab-initio, de méthodes DFT (Density Fonctional Theory) et de modèles statistiques.