Laboratoire MOLTECH-Anjou

 

 

 

Présentation de l'équipe MINOS (Molecular Interactions Nonlinear Optics Surface Structuration)

 

Responsable : BARILLE Régis (PR)

 

Permanents

Régis Barillé (PR)

Michel Chrysos (PR)

Sylvie Dabos-Seignon (CR)

Denis Gindre (MC)

Matthieu Loumaigne (MC)

Florent Rachet (MC)

Bouchta Sahraoui (PR)
 

Non-Permanents

François Kajzar (PR associé)

Yasser Almohamed (Doctorant)

Fabien Cousseau (Doctorant)

Henri Piel (Doctorant)

Said Taboukhat (Doctorant)

 

 

Résumé des activités du groupe MINOS

 

Nos activités s’intéressent aux matériaux et leur structure ou dynamique. Elles se déclinent selon les deux axes interactions moléculaires en milieux dilués et denses et diagnostic des propriétés optiques et structuration moléculaire photoïnduite. Les milieux étudiés vont des simples structures moléculaires ou supra-moléculaires à des structures complexes inorganiques ou organiques, des polymères et des surfaces moléculaires ou macromoléculaires ; leurs propriétés linéaires ou non linéaires sont analysées par voie photonique ou à des fins photoniques.

Les travaux portent sur les interactions intermoléculaires dans les gaz, la coopérativité de molécules dans les liquides et les solides, la structuration moléculaire par photoïnduction et le diagnostic optique de composés chimiques complexes. De nouveaux phénomènes, tels l’auto-organisation de structures en surface, le cryptage moléculaire photoïnduit, ou encore des processus gyratoires collectifs de nanoengins fabriqués sur mesure dans des polymères ou des monocristaux, ouvrent grande la porte vers des applications futures en photonique.

Enfin, des liens directs avec la physicochimie de l’environnement s’établissent via l’étude de processus collectifs, que ce soit dans des milieux atmosphériques terrestre et planétaires ou dans la matière dense.

 

 

Interactions moléculaires en milieux dilués et denses

(M. Chrysos, F. Rachet)

 

Nos recherches se déclinent selon deux volets complémentaires : d’une part, la simulation à l’échelle atomique de milieux denses, tels les liquides surfondus, les verres ou les polymères ; d’autre part, l’étude des processus induits par les interactions entre les molécules ou les atomes d’un milieu dilué, tel un gaz non polaire. Nos travaux visent aussi bien la compréhension de processus inexpliqués d’ordre fondamental que des applications en matière de propriétés de transport ou environnementales. Notre savoir-faire couvre à la fois les aspects expérimentaux et théoriques. Pour ce qui est de la simulation dans la matière dense, nous avons mis en évidence des mécanismes coopératifs, particulièrement prononcés dans des liquides surfondus, tel l’accroissement considérable de la viscosité du liquide à mesure que sa température diminue. Ces comportements dont les mécanismes demeurent encore inexpliqués ne sont liés à aucune modification structurale du milieu. En revanche, ils semblent être universels caractérisant à la fois les liquides surfondus, les polymères et les verres.

 

 

Ainsi, nous avons montré récemment que certains de ces comportements se retrouvent dans la matière molle, ce qui suggère une universalité encore plus large. L’une des explications avancée pour ces phénomènes est l’apparition spontanée des mouvements moléculaires coopératifs dans ces milieux. Parmi nos résultats récents les plus remarquables, nous avons montré que le confinement de certains matériaux, tel l’eau surfondue, à l’intérieur de milieux nanoporeux (voir figure ci-contre) a pour effet inattendu d’accroître la coopérativité. Nos recherches trouvent des applications naturelles dans le secteur médical pour la préservation de milieux vivants ou de médicaments.

 

Pour ce qui est de l’étude des milieux dilués, nous étudions par diffusion de la lumière les interactions moléculaires dans des gaz. Nous disposons sur le plan expérimental d’un montage de diffusion Raman d’une sensibilité inégalée. Il permet d’accéder à des signaux lumineux aussi faibles que quelques photons par semaine, l’équivalent de la lumière que l’on recevrait d’une bougie allumée sur la lune. Sur le plan théorique, nous développons des approches nouvelles, notamment quantiques, dont l’objectif est l’étude de spectres induits en diffusion Raman ou en absorption infrarouge. Aussi bien en diffusion qu’en absorption induites, les processus étudiés mettent directement en jeu les interactions entre les particules du gaz. En raison de leur fort caractère collectif et de la faible intensité des signaux qu’elles engendrent, ces interactions constituent un défi pour la détection expérimentale et l’analyse théorique. Le rôle de ces interactions, dans des phénomènes aussi cruciaux que l’effet de serre dans les atmosphères terrestre ou planétaires est loin d’être négligeable. Ceci est notamment le cas pour les gaz à effet de serre et tout particulièrement pour le dioxyde de carbone et le méthane. Ainsi que nos récents résultats l’ont montré, des modes de vibration de ces molécules, inactifs en absorption infrarouge, peuvent contribuer de façon significative à l’absorption par ces gaz, en raison des interactions mettant en jeu des paires de molécules.

 

Le renouveau que nous avons apporté au domaine a fait l’objet d’un important retentissement par la presse nationale et
internationale (voir le N° 6 du magazine« Physics Today », vol. 61, p. 20-21, juin 2008, figure ci-dessus, ou encore le N°368 de « Pour la Science », juin 2008, figure ci-contre) et mis en exergue, notamment pour des atmosphères planétaires chaudes et denses en dioxyde de carbone ou en méthane, des processus jusqu’ici mal compris et considérés comme très minoritaires. Plus récemment, nous avons observé et analysé des bandes spectrales dues à des transitions vibrationnelles dites doubles, un sujet d’actualité qui met au défi les procédés expérimentaux et théoriques. Il s’agit de la détection de signaux bien plus faibles que ceux qui sont issus d’un processus collisionnel standard, puisqu’ils sont les empreintes de deux transitions ayant lieu simultanément dans les deux molécules en interaction. De telles bandes déstructurées sont soupçonnées être des acteurs dans des processus atmosphériques dans des mélanges gazeux entre molécules à effet de serre et molécules réputées inertes.


Pour en savoir plus :

M. Chrysos, F. Rachet, N.I. Egorova, A.P. Kouzov, “Intermolecular Raman spectroscopy long-range interactions: the CO2-Ar collision-induced n3 CO2 band“, Phys. Rev. A 75, 012707 (2007).

M. Chrysos, A.P. Kouzov, N.I. Egorova, F. Rachet, “Exact low order classical moments in collision induced bands by linear rotors: CO2-CO2 “, Phys. Rev. Lett. 100, 133007 (2008).

M. Chrysos, S. Dixneuf, F. RachetAnisotropic collision-induced Raman scattering by Ne-Ne: Evidence for a nonsmooth spectral wing“, Phys. Rev. A 80, 054701 (2009).

S. Dixneuf, M. Chrysos, F. Rachet, “Isotropic and anisotropic collision-induced Raman scattering by monoatomic gas mixtures: Ne-Ar“, Phys. Rev. A 80, 022703 (2009).

S. Dixneuf, M. Chrysos, F. Rachet, “Anisotropic collision-induced Raman scattering by the Kr:Xe gas mixture“, J. Chem. Phys. 131, 074304 (2009).

I.A. Verzhbitskiy, M. Chrysos, F. Rachet, A. Kouzov, “Evidence for double incoherent Raman scattering in binary gas mixtures: SF6-N2 “, Phys. Rev. A 81, 012702 (2010).

M. Chrysos et I. A. Verzhbitskiy, “Evidence for an isotropic signature in double vibrational collision-induced Raman scattering: A point-polarizable molecule model, Phys. Rev. A 81, 042705 (2010).

 

 

Diagnostic des propriétés optiques et structuration moléculaire photoïnduite

(R. Barillé, B. Sahraoui, S. Dabos-Seignon, D. Gindre)

 

 

Dans ce second axe d’activités, nous développons de nouveaux procédés de stockage optique d’information dans des polymères, à l’aide des propriétés de désorientation photoassistée d’azobenzènes (figure a ci-contre). Ces procédés ont pour objectif la cartographie à haute résolution de la susceptibilité non linéaire d’ordre 2 des matériaux, que nous réalisons par des expériences d’imagerie femtoseconde par microscopie de génération du second harmonique (SHG). C’est une technique nouvelle, particulièrement efficace, qui  permet par un contrôle optique du taux de dimérisation de molécules de restituer des images encodées à l’échelle nanométrique. Ce procédé, qui devient ainsi un moyen de marquage très difficilement détectable, fait actuellement l’objet du dépôt d’un brevet par le CNRS intitulé "Support d'enregistrement réversible par stockage optique d'informations, procédé d'enregistrement réversible sur un tel support".

Sur un autre registre, nous réalisons des expériences de microscopie à force atomique pour caractériser la morphologie de surfaces, dans le but notamment de développer des composants électroniques à base de polymères et de composés organiques ou encore de développer de nouveaux matériaux pour l’optique non linéaire (ONL). En parallèle, nous réalisons des recherches, notamment sur le plan expérimental, à partir de molécules « photo-contrôlables » telles les azobenzènes dans le but d’activer et de comprendre les mécanismes de modification de surface ou la structuration de films minces. Un résumé vulgarisé de cette activité a été publié dans le N° 378 de « Pour la Science », avril 2009 (voir figure ci-contre). Parmi nos résultats les plus marquants, nous avons rapporté la preuve de la faisabilité du processus dit de structuration spontanée de la surface d’un film mince azopolymère à structuration spontanée de la surface d’un film mince azopolymère à l’aide d’un unique faisceau laser,  ou encore nous avons créé le nouveau concept de neuro-photonique, concept qui repose sur des propriétés étonnantes que possède chaque micro-réseau auto-organisé, à savoir la possibilité de l’effacer puis de le reconfigurer. Enfin, plusieurs de nos travaux intéressent le diagnostic, la fonctionnalisation et les caractérisations de composées spécifiques en vue d'applications dans des dispositifs optoélectroniques. Il s’agit d’abord d’étudier, dans des matériaux spécifiques hautement polarisables et filmogènes, les propriétés ONL d’ordres 2 et 3, puis d’en déterminer la dynamique des structurations photo-induites en surface ou en volume. A titre d’exemple, nous avons montré récemment les potentialités qu’a l’ADN modifié à des fins holographiques (« Nature Photonics », Research Highlights, 2, 6-7, (2008), voir figure ci-contre), ou encore démontré la possibilité de réaliser des mémoires optiques par activation thermique d’une commutation moléculaire.

 

Pour en savoir plus :


D. Gindre, A. Boeglin, A. Fort, L. Mager, K. D. Dorkenoo, “Rewritable optical data storage in azobenzene copolymers”, Optics Express 14, 9896 (2006).

D. Gindre, A. Boeglin, G. Taupier, O. Crégut, J.-P. Vola, A. Barsella, L. Mager, A. Fort, K. D. Dorkenoo, “Toward submicrometer optical storage through controlled molecular disorder in azo-dye co-polymer films”, J. Opt. Soc. Am. B 24, 532 (2007).

D. Gindre, I. Ka, A. Boeglin, A. Fort, K. D. Dorkenoo, “Image storage through gray-scale encoding of second harmonic signals in azo-dye copolymers”, Appl. Phys. Lett. 90, 094103 (2007).

A.Fort, K. D. Dorkenoo, D. Gindre, A. Barsella, “Method and device for reading and writing optical memories”. Brevet CNRS N° 0651627 déposé le 5 mai 2006. Extension internationale PCT/FR2007/051219 le 4 mai 2007.  Extension USA le 3 novembre 2008.

S. Ahmadi-Kandjani, R. Barillé, S. Dabos-Seignon, J.-M. Nunzi, E. Ortyl, S. Kucharski, "Multistate polarization addressing using one single beam in an azopolymer film", Opt. Lett. 30, 1986 (2005).

R. Barillé, J.-M. Nunzi, S. Ahmadi-Kandjani, E. Ortyl, S. Kucharski, "Cognitive ability experiment with photosensitive organic molecular thin films", Phys. Rev. Lett. 97, 048701 (2006).

H. Leblond, R. Barillé, S. Ahmadi-Kandjani, E. Ortyl, S. Kucharski, J.-M. Nunzi, "A very simple model for the light-induced diffusion", J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.42, 205401 (2009).

R. Barillé, P. Tajalli, J. M. Nunzi, S. Zielińskaa, S. Kucharski, E. Ortyl, "Surface Relief Grating on Azopolymer nanosurface", Appl. Phys. Lett. 95, 053102 (2009).

R. Barillé, P. Tajalli, S. Kucharski, S. Zielinska, E. Ortyl, "Tunability of azopolymer nanosphere diameter", Appl. Phys. Lett. 96, 163104 (2010).

R. Czaplicki, O. Krupka, Z. Essaidi, A. El-Ghayoury, F. Kajzar, J.G. Grote and B. Sahraoui, “Grating inscription in picosecond regime in thin films of functionalized DNA”, Optics Express 15, 15268 (2007).

W. Bi, N. Louvain, N. Mercier, J. Luc, I. Rau, F. Kajzar, B. Sahraoui, "A switchable NLO organic-inorganic compound based on conformationally chiral disulfide molecules and Bi5 iodobismuthate networks", Adv. Mater. 20, 1013-1017 (2008).

J. Mysliwiec, L. Sznitko, S. Bartkiewicz, A. Miniewicz, Z. EssaidiF. Kajzar, B. Sahraoui, "Amplified spontaneous emission in the spiropyran-biopolymer based system", Appl. Phys. Lett. 94, 241106 (2009).

K.N. Gherab, R. Gatri, Z. Hank, B. Dick, R.-J. Kutta, R. Winter, J. Luc, B. Sahraoui, J.-L. Fillaut, “Design and photoinduced surface relief grating formation of photoresponsive azobenzene based molecular materials with ruthenium acetylides“, J. Mater. Chem. 20, 2858 (2010).

A.V. Kityk, R. Czaplicki, A. Klöpperpieper, A.S. Andrushchak and B. Sahraoui, “Spontaneous and electric field induced quadratic optical nonlinearity in ferroelectric crystals AgNa(NO2)2”, Appl. Phys. Lett. 96, 061911 (2010).

 

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