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Carbonated Nanoparticles of Astrophysical Interest

M. Rapacioli et F. Spiegelman; Collaborations : F. Calvo (LASIM, Lyon), P. Parneix (LPPM, Orsay), C. Joblin et A. Simon (CESR, Toulouse)

Plus d’une centaine de molécules ont été jusqu’ici identifiées dans ce que l’on appelle le milieu interstellaire (MIS), zone de faible densité de matière qui sépare les étoiles. Malgré cette faible densité, les nuages moléculaires froids du MIS jouent un rôle important dans la génèse d’objets plus denses (étoiles et systèmes planétaires). La description des mécanismes microscopiques régissant la physico-chimie et la dynamique de ce milieu complexe (formation moléculaire, absorption UV sous l’effet du rayonnement stellaire, relaxation de l’énergie dans les degrés de liberté électroniques et vibrationnels, rayonnement, fragmentation) demeure un enjeu.

La matière carbonée dans le MIS se présente sous forme moléculaire, mais également sous forme d’agrégats ou grains. Au delà des petites molécules carbonées, les spectres infra-rouge (IR) mettent en évidence l’existence de molécules allant de la dizaine à la centaine d’atomes, dites Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAP). Cependant aucune molécule unique de cette famille n’a été formellement identifiée, et l’hypothèse d’agrégats de telles molécules est fortement suggérée par les observations. Ces grains sont des acteurs importants de la physico-chimie du MIS. Par ailleurs, au sein du MIS, les systèmes ionisés jouent un rôle majeur dans la génèse moléculaire car les forces de polarisation à longue portée favorisent le rapprochement des molécules du gaz dilué. La recherche sur ce thème s’articule autour de trois volets :

- les observations spatiales
- les expériences de laboratoire en particulier la spectroscopie de masse
- la simulation.

A Toulouse, les deux premiers volets sont conduits au CESR (équipe de C. Joblin et expérience PIRENEA), l’activité simulation est principalement développée au LCPQ. Les deux laboratoires collaborent à la fois dans le cadre du Programme national PCMI (Physico-Chimie du Milieu Interstellaire) et d’un Plan Pluri-Formation de l’Université ("Molécules et Grains"). Les tailles des nanoparticules d’intérêt astrophysique sont ici la centaine, voire le millier d’atomes, hors des possibilités actuelles de méthodes de résolution exactes du problème électronique.

Isomères d'agrégats de 10 molécules coronènes

L’objectif général de l’équipe MAD est de déterminer la structure, les propriétés photophysiques et la dynamique (formation, relaxation, fragmentation) d’agrégats de HAP ionisés, typiquement (C24H12)n (n > 10). L’équipe développe des modèles pour la simulation de ces agrégats :

- construction d’un modèle mixte classique-quantique pour déterminer les interactions entre les atomes de l’agrégat
- insertion de ce modèle dans des codes d’optimisation structurale
- calcul des forces et mise en œuvre de simulations de dynamique moléculaire
- méthodologies spécifiques pour les états excités et les ions (modèles excitoniques).