Notre groupe s’intéresse à la physique et à la chimie de la glace. Nous utilisons diverses technologies avancées de science de la surface afin d’étudier les dynamiques réactionnelles complexes, et les mécanismes sous-jacents, qui se produisent dans la glace et à sa surface. En utilisant la modélisation moléculaire et la simulation numérique, nous nous efforçons de fournir des interprétations au niveau moléculaire permettant d’élucider des problèmes environnementaux comme d’importants phénomènes de chimie atmosphérique hétérogène observés récemment dans le milieu naturel.
Premièrement, nous utilisons les techniques de faisceaux moléculaires pour étudier comment les molécules s’absorbent, se dissolvent, réagissent et pénètrent dans la glace. Nous effectuons une caractérisation in situ à l’aide de la spectroscopie et de l’analyse par spectrométrie de masse de la désorption thermique de films minces utilisés comme modèles des interfaces environnementales. En utilisant un modèle d’optique classique simple que nous avons développé, nous sommes capables de fournir une interprétation détaillée des effets optiques complexes dus à la réfraction, aux réflexions multiples et aux phénomènes d’interférence qui caractérisent la spectroscopie de réflection-absorption infrarouge des films de glace minces (1). Une compréhension quantitative des spectres infrarouges est nécessaire afin de découvrir le mécanisme de la dissociation ionique d’acides simples tels que le fluorure d’hydrogène (HF).
Récemment, nous avons fait une découverte surprenante : le HF paraît être dissocié dans la glace amorphe à 40K (2), et aussi à sa surface (3), illustrant le fait que l’acide fluorhydrique se comporte comme un acide faible dans l’eau principalement dû à des considérations entropiques. De plus, nous avons démontré que les intermédiaires de réactions de transfert de proton, et les configurations énergiques métastables du solvant peuvent être capturées dans le réseau désordonné des liaisons hydrogènes de mélanges binaires amorphes cryogéniques d’H2O et de HF (4) nous permettant ainsi de les étudier spectroscopiquement (5). Cela suggère que ces solides amorphes peuvent être des modèles intéressants du comportement des solutions aqueuses. Nous étudions présentement d’autres systèmes importants en chimie atmosphérique tels l’adsorption, la dissolution et l’absorption des acides chlorhydriques et nitriques dans la glace et sommes intéressés à développer des investigations expérimentales de la photolyse hétérogène des ions nitrates sur la glace.
Deuxièmement, nous déployons les techniques analytiques avancées de microscopie électronique à balayage (MEB) et à transmission (MET) pour sonder les propriétés structurales et morphologiques à l’échelle mésoscopique des films de glace minces utilisés comme modèle d’interface environnementales ou des échantillons naturels. Nous nous intéressons au mouillage et à l’adhésion des films de glace formés par condensation de la vapeur en fonction des conditions de croissance. Notre objectif est de mieux comprendre comment elles peuvent affecter l’intégrité et la réactivité des échantillons de glace créés en laboratoire. De plus, en utilisant la diffraction des électrons, nous pouvons aussi étudier la cristallisation des films de glace pure et des mélanges binaires pour mieux comprendre leur microstructure telle que la taille des grains de même que la densité, la morphologie et la connectivité du réseau des joints de grains dans la glace polycristalline. En utilisant ces techniques, nous avons découvert que d’enrichir de la glace amorphe avec des petites quantités de méthanol contrecarrait la préférence cinétique pour la glace cubique Ic lors de sa cristallisation, permettant d’accéder au polymorphe le plus stable thermodynamiquement: la glace hexagonal Ih (6). Une compréhension de ces paramètres était cruciale pour fournir une interprétation adéquate des propriétés de transport par diffusion du méthanol dans la glace Ih polycristalline.
Dernièrement, nous avons entrepris l’implantation des techniques de spectroscopie électronique (UPS, XPS, de même que la spectroscopie femtoseconde pompe-sonde à deux photons résolue temporellement : 2PPES) afin d’étudier la structure électronique des films de glaces et de leur surface. Les études de photoémission vont nous permettre de mieux comprendre comment les propriétés électroniques des molécules d’eau à la surface de la glace diffèrent de celles qui sont dans la masse, et ce en termes de leurs orbitales moléculaires. Ces travaux vont nous permettre de mieux comprendre comment la structure électronique de la surface de la glace contrôle sa réactivité. Les expériences de type pompe-sonde résolues dans le temps vont aussi nous permettre d’étudier les dynamiques réactionnelles des réactions photochimiques ultrarapides permettant une description détaillée des dynamiques nucléaires complexes à l’échelle moléculaire et qui sont en cause dans la photolyse hétérogène dans le milieu naturel.
Références:
1 – F. Cholette et al., J. Phys. Chem. A 113, 4131-4140 (2009).
2 – P. Ayotte et al., J. Chem. Phys. 123 184501 (2005).
3 – P. Ayotte et al. J. Chem. Phys. 131, 124517 (2009).
4 – R. Iftimie et al. J. Am. Chem. Soc. 130, 5901-5907 (2008).
5 – P. Ayotte et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 10, 4785-4792 (2008).
6 – P. Marchand et al. J. Phys. Chem. A 110, 11654-11664 (2006).
