Etude ab initio de la réactivité de molécules adsorbées : application aux aérosols

Doctorant: Césaire FOTSING

Contexte
En raison de la complexité de ses échanges avec le sol et/ou la surface des océans, la basse troposphère contient un grand nombre d’espèces chimiques, sous forme gazeuse ou de particules appelées aérosols. Compte tenu de leur taille et de leur origine variées, leur impact sur le forçage radiatif est difficile à évaluer et comporte une grande marge d’erreur (rapport GIEC 2013). Par ailleurs, la surface de ces particules peut être le lieu de réactions chimiques entre les espèces gazeuses minoritaires de l’atmosphère et servir de puits ou de source pour ces composés. Ceci a des conséquences sur la chimie atmosphérique ainsi qu’un impact sur la santé en cas d’inhalation. Afin de mieux comprendre ces processus, des expériences contrôlées sont réalisées dans plusieurs équipes du projet Cappa (PC2A & LASIR, Lille 1, SAGE, Mines de Douai). Celles-ci étant toutefois réalisées à l’échelle macroscopique, peu d’informations sont disponibles sur les mécanismes détaillés expliquant l’apparition ou la disparition des espèces impliquées. C’est en ce sens que les simulations numériques à l’échelle moléculaire sont devenues essentielles pour la compréhension de ces phénomènes.

Objectifs
Le but est de mettre au point une méthodologie quantique voire hybride classique/quantique permettant de traiter la réactivité de molécules typiques (acides gras, saturés ou non) à la surface d’aérosols (marins et/ou minéraux), attaqués par diverses espèces réactives, de nature radicalaire (atome de chlore, radical hydroxyle OH ou peroxyles RO2) ou neutre (dioxygène, ozone). Pour ce faire, nous allons utiliser une approche dite « multi-échelle », qui permet de traiter des édifices moléculaires de grande taille. L’idée est de découper le système étudié en plusieurs zones dont le traitement sera plus ou moins sophistiqué en fonction de leur position par rapport au site de la réaction. Typiquement, ce site comportera quelques atomes et sera décrit ab initio ou au moyen de la fonctionnelle de densité. Le voisinage immédiat sera traité quantiquement mais d’une manière plus approchée, tandis que le reste du système pourra être traité de manière semi-empirique voire classique (méthodes « QM/MM »). En plus de données structurales, il sera possible notamment d’obtenir des chemins de réaction et d’en déduire des taux de réaction.

Mots-clés
Atmosphère, Aérosols, Réactivité, Physico-chimie théorique et informatique

Période
Octobre 2015-Octobre 2018

Directeur: Denis Duflot (PhLAM) 
Co-encadrante: Céline Toubin (PhLAM)

Laboratoire: PhLAM

Financement: Région / Labex CaPPA