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. Rachet “Anisotropic 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).