Thermalisation dans une nanogoutte : évaporation versus réactivité

par Thibaud Salbaing

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Michel Farizon.

Soutenue le 26-09-2019

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Tilmann Märk.

Le jury était composé de Michel Farizon, Florent Calvo, Anne Ealet, Patrick Moretto-Capelle, Isabelle Daniel.

Les rapporteurs étaient Franck Gobet, Valérie Blanchet.


  • Résumé

    Les systèmes moléculaires sous irradiation sont présents dans le monde vivant et la matière inerte. D’un point de vue macroscopique, ils sont constitués d’un très grand nombre de molécules mais l’action d’un rayonnement agit à travers les électrons localisés sur une molécule, créant ainsi, localement et sur des échelles de temps courts, une situation manifestement très éloignée de l’équilibre thermodynamique. Etudier les nanosystèmes moléculaires sous irradiation permet d’accéder à la manière dont l’énergie déposée dans une molécule va être redistribuée dans le système, via les interactions entre molécules. Les distributions de vitesses d’une molécule évaporée mesurées pour les nanogouttes de méthanol protonées présentent un comportement bimodal avec, comme observé pour l’eau, l’évaporation de molécules avec des vitesses nettement supérieures à celles attendues après redistribution complète de l’énergie. De plus, une réaction dans l’agrégat, conduisant à la formation du diméthyléther protoné avec élimination d’une molécule d’eau, a été observée. La possibilité d’étudier la compétition suite à l’irradiation entre l’évaporation moléculaire et une réaction d’élimination pourra contribuer à contraindre les hypothèses quant à la formation de molécules prébiotiques en conditions interstellaires.Les résultats sur les nanogouttes mixtes eau-méthanol ont été comparés à ceux obtenus avec celles dopées en pyridine et celles d’eau pure. L’analyse de la partie basse vitesse des distributions de vitesses des molécules d’eau évaporées montrent que l’évaporation intervient avant la redistribution complète de l’énergie dans l’ensemble de l’agrégat. Il apparaît qu’il y a moins d’énergie disponible pour l’évaporation d’une molécule d’eau quand l’excitation initiale est déposée sur le méthanol protoné ou sur l’ion pyrimidium. Ainsi, à la différence de l’ion hydronium qui est parfaitement solvaté, les impuretés favorisent la croissance de ces petits agrégats d’eau dont la présence dans l’atmosphère facilite les premières étapes de la formation des aérosols

  • Titre traduit

    Thermalisation in a nanodroplet : evaporation vs reactivity


  • Résumé

    Molecular systems under irradiation are present in the living as well as in inert matter. From a macroscopic point of view, the matter is made up of a very large number of molecules but the action of radiation acts through the electrons located on a molecule and thus, creating locally and on short time scales a situation clearly far from the thermodynamic equilibrium. Studying molecular nanosystems under irradiation provides access to understanding of how the energy deposited in a molecule will be redistributed into the system through interactions between surrounding molecules.The velocity distributions of evaporated molecules measured for irradiated protonated methanol nanodroplets have a bimodal behaviour, as observed for water, including evaporation of molecules with much higher velocities than expected after complete redistribution of energy. In addition, a reaction in the cluster leading to the formation of protonated dimethyl-ether with elimination of a water molecule was observed. The possibility of studying the competition between molecular evaporation and an elimination reaction following irradiation of a nanodroplet will contribute to constrain the hypothesis on the formation of prebiotic molecules under interstellar conditions. The results for the water-methanol mixed nanodroplets were compared with those obtained with pyridine doped water nanodroplets and protonated water nanodroplets. Analysis of the low velocity part of the velocity distributions of the evaporated water molecules shows that evaporation occurs before the complete redistribution of energy in the cluster. It appears that there is less energy available for evaporation of a water molecule when the initial excitation is located on the protonated methanol ion or on the pyrimidium. Thus, unlike the hydronium ion which is fully solvated, impurities promote the growth of these small water clusters, whose presence in the atmosphere facilitates the early stages of aerosol formation


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