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Corrélation entre structures et propriétés électroniques dans les agrégats de PAH

Le travail de Mathias Rapacioli, Fernand Spiegelman et Léo Dontot, en collaboration avec l’équipe de Christine Joblin (IRAP), a été mis en avant dans les actualités de l’Institut National des Sciences de L’Univers (INSU) du CNRS. Ces travaux portent sur l’étude de la corrélation entre structures et propriétés électroniques (ionisation) d’agrégats de molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) en phase gazeuse.

Des premières mesures expérimentales de spectres de photoélectrons d’agrégats de PAH à base de pyrène C16H10 et de coronène C24H12 ont été obtenues en utilisant la technique d’imagerie de photoélectrons-photoions en coïncidence disponible sur la ligne de photons ultraviolet lointain (VUV) DESIRS à SOLEIL. Ces données ont été confrontées aux résultats de simulations moléculaires dans lesquelles les effets de structure et de température ont été pris en compte. Pour un agrégat de typiquement 6 molécules un certain nombre d’isomères peuvent être peuplés à des températures de 100-200K. La qualité de l’accord expériences/simulations a permis de valider l’approche théorique utilisée. Les structures d’agrégats obtenues sont composées d’empilements multiples au-delà de typiquement 4 monomères. Un résultat important a été de montrer que, lors de l’ionisation, la charge ne se répartit pas sur l’ensemble de l’agrégat mais reste localisée sur quelques unités moléculaires (1 à 3). Ce comportement va affecter les propriétés électroniques et la stabilité de ces systèmes.

Dans les milieux astrophysiques, les PAH sont produits par destruction de très petits grains carbonés sous l’effet des photons VUV. Les travaux présentés ici constituent une première étape de l’étude de ce processus, les agrégats de PAH étant considérés comme des systèmes modèles en laboratoire de ces très petits grains carbonés cosmiques. Les propriétés d’ionisation des agrégats de PAH (énergie d’ionisation relativement basse et forte section efficace d’ionisation) impliquent que ces espèces seraient en grande partie ionisées dans les milieux où les PAH sont formés. Leurs propriétés d’évaporation vont donc différer par rapport à celles des agrégats neutres qui ont été jusqu’à présent considérés dans les modèles astrophysiques.

Ce travail interdisciplinaire (CNRS-INSU/INP/INC) a été initié dans le cadre du projet ANR Gas-phase PAH research for the interstellar medium (GASPARIM, ANR-10- BLAN-0501) et a mis également en jeu des moyens du projet ERC Synergy NANOCOSMOS.

Ces travaux ont été publiés dans : Size Effect in the Ionization Energy of PAH Clusters, C. Joblin, L. Dontot, G.A. Garcia, F. Spiegelman, M. Rapacioli, L. Nahon, P. Parneix, T. Pino, and P. Bréchignac, Journal of Physical Chemistry Letters 8, 3697–3702 (2017).