TheoMoleNR - Développement de modèles théoriques pour des molécules non rigides d'intérêt atmosphérique, planétologique et astrophysique

par Dominika Viglaska

Projet de thèse en CPI - Chimie et Physique de l'Ingénieur

Sous la direction de Vladimir Tyuterev et de Michael Rey.

Thèses en préparation à Reims , dans le cadre de SNI - Sciences du Numérique et de l'Ingénieur , en partenariat avec GSMA - Groupe de Spectroscopie Moléculaire et Atmosphérique (laboratoire) et de Equipe Spectroscopie et dynamique des systèmes moléculaires d'intérêt atmosphérique - GSMA (equipe de recherche) depuis le 06-09-2016 .


  • Résumé

    La connaissance précise des intensités des transitions rovibrationnelles dans l'infrarouge, gamme spectrale permettant de mieux comprendre la nature des liaisons chimiques dans une molécule, est essentielle pour la caractérisation de diverses atmosphères (terrestre et planétaires) ou bien d'autres objets astrophysiques. Tout cela passe inévitablement pour la modélisation précise très précise d'états moléculaires via le développement d'outils théoriques adaptés. Un moyen d'y parvenir est d'effectuer des calculs de structure électronique (construction de surfaces potentielles et dipolaires ab initio) avant de résoudre l'équation de Schrödinger nucléaire stationnaire par une méthode variationnelle. Ces dernières années, notre équipe a œuvré dans la mise en place de méthodes numériques et algébriques bien spécifiques afin de pouvoir rendre compte des propriétés intra-moléculaires de systèmes moléculaires de taille moyenne (jusqu'à 6 atomes). Les résultats obtenus ont permis d'obtenir des avancées très significatives dans l'analyse et la modélisation de spectres de molécules d'intérêt planétologique et/ou astrophysique. Cependant notre approche est pour le moment limitée aux systèmes dits « semi-rigides » pour lesquels les mouvements nucléaires sont confinés autour d'une position d'équilibre. Or la spectroscopie moléculaire moderne s'oriente vers des systèmes de plus en plus complexes, généralement très « flexibles », d'intérêt atmosphérique ou même biologique. Ces systèmes moléculaires, qualifiés de non rigides, possèdent des spectres d'absorption plus difficiles à modéliser que ceux de systèmes rigides. Ce travail de thèse consistera donc à étendre la thématique actuelle de l'équipe aux molécules non rigides (pliage, torsion) pour in fine arriver à la construction de nouvelles bases de données. Les molécules présentant de l'inversion comme l'ammoniac, ou de la rotation interne d'un groupe méthyle (ou d'un groupe XY3, plus généralement) sont les exemples les plus connus. Par exemple, les molécules XY3-X'Y'3 de type toupies symétriques, avec une rotation interne le long de l'axe moléculaire principal présentent, d'une part un intérêt théorique très fort du à la symétrie élevée et d'autre part, un intérêt industriel et/ou atmosphérique. Parmi tous les candidats, citons l'éthane (C2H6), un gaz à effet de serre jouant un rôle dans la chimie troposphérique et présentant la rotation interne des groupements « méthyle ». L'éthane est un polluant atmosphérique classé parmi les COV. Il est en considéré comme un traceur associé aux émissions de méthane géologique (gaz de schiste). C'est l'hydrocarbure (hors CH4) le plus abondant dans l'atmosphère terrestre et de réels besoins se font également ressentir au niveau planétaire (atmosphères de Titan, Jupiter, etc.). Une étude récente (Maltagliati et al., Icarus, 2015) a montré que l'impact de l'éthane dans les spectres infrarouges de Titan était clairement sous-évalué et que de réels besoins sur cette molécule se faisaient ressentir, notamment la construction d'une base de données complète. Ce sujet, essentiellement théorique, ouvre un champ d'investigation très large en spectroscopie moléculaire, en s'orientant vers des espèces jamais étudiées au laboratoire. Le ou la candidate se tournera plus particulièrement vers la molécule d'éthane C2H6 pour les besoins cités ci-dessus.

  • Titre traduit

    TheoMoleNR - Development of theoretical models for not stiff molecules of atmospheric interest, planétologique and astrophysical


  • Résumé

    Detailed knowledge of intensities of rovibrational transitions in the infrared range is essential for characterisation of different atmospheres or other astrophysical objects. To this end we need to do precise modelisation of molecular states via the development of theoretical adapted tools. High-resolution spectroscopy has led to a large improvement of our understanding of molecules, such as their molecular structure, dipole moments, internal dynamics, etc. For many molecules (for example ammonia) and molecular complexes (water dimer) the equilibrium structure is insufficient for describing spectroscopy and dynamics, since they can undergo various tunnelling motions or the internal rotation of one methyl group with respect to the rest of the molecule as in the ethane (C2H6). These motions are often denoted as large-amplitude motions, and these molecules are called nonrigid molecules. This thesis work looks to extend the existing thematic of the team PMT (rigid and semirigid molecules) in the nonrigid molecules in order to create new theoretical spectroscopic databases and extend the existing TheoReTS project. TheoReTS (Theoretical Reims-Tomsk Spectral Data) is an Internet accessible information system devoted to ab initio based rotationally resolved spectra predictions for some relevant molecular species. Particularly we will be interested in the nonrigid molecule as ethane relevant wide gamme of applications in planetologie, astrophysics, atmospherics, etc. This molecule is the second largest component of natural gas and is primarily used in the industrial manufacturing of petrochemicals. It is present as a trace gas in the Earth's atmosphere. However, C2H6 is also of a particular interest to astronomy because it is found in all four giant planets, Titan, comets and even as ice in Kuiper Belt objects.