Mots clés : Plasmas réactifs, Nanoparticules, Hydrocarbones, Spectrométrie de masse, Nucléation, Aérosols

Objectifs : Etude de la dissociation et de la réactivité du DMA dans un plasma basse pression afin de comprendre son rôle dans la production de noyaux de condensation qui peuvent mener ensuite à la formation de nuages dans l’atmosphère.

Méthodes :
Sujet à très forte dominante expérimentale.
Utilisation de plasmas réactifs basse pression.
Diagnostics principaux : spectrométrie de masse et sonde de Langmuir.
Analyse ex-situ des nanoparticules produites (SEM, XPS …)

Profil et compétences recherchées :
Connaissances en physico-chimie et diagnostics des plasmas froids (si possible basse pression).
Connaissance de diagnostics des nanomatériaux serait un plus.
Expérience en spectrométrie de masse serait grandement appréciée.
Goût prononcé pour les sciences expérimentales.
Capacités à synthétiser, analyser et interpréter des résultats expérimentaux.
Autonomie et rapidité de prise en main de dispositifs expérimentaux et de méthodes de diagnostics avancées.
Aisance rédactionnelle en français et/ou anglais.

Sujet détaillé :

Ce sujet propose de mieux comprendre la réactivité de molécules émises par l’activité humaine et présentes sous forme de traces dans l’atmosphère. Malgré leur faible proportion elles pourraient jouer un rôle important dans les premières étapes de la formation de nuages et donc dans le dérèglement climatique [1].

Le dimethylamine (DMA, (CH3)2NH) est une molécule présente sous forme de traces dans l’atmosphère terrestre et suspectée d’avoir un rôle crucial dans la formation d’aérosols potentiels noyaux de condensation à l’origine de la formation de nuages impactant le dérèglement climatique. Ces traces de DMA ont principalement une origine anthropique car cette molécule est un composant organique volatile (N-VOC) émis par de nombreuses industries chimique, pharmaceutique, pétrochimique [2] … Il apparaît donc fondamental de mieux comprendre la réactivité de ces molécules et leur impact sur la dynamique atmosphérique. Des travaux récents ont été menés sur de grands instruments, comme dans l’expérience CLOUD au CERN [3], mais peu sont réalisés dans des dispositifs de laboratoire permettant de varier les conditions expérimentales et de réaliser de nombreux diagnostics dans un milieu plus facilement maîtrisable.

Des travaux menés à l’IPR (Institut de Physique de Rennes, UMR 6254, CNRS/Univ. Rennes 1) par FALP-MS (post-décharge en écoulement avec spectromètre de masse et sonde de Langmuir) ont montré que le DMA tend à former des ions négatifs par attachement dissociatif puis très rapidement des clusters. Cela est consistent avec les observations en plasmas réactifs basse pression comme ceux du GREMI où la voie réactionnelle par ions négatifs est celle menant le plus facilement à la formation de nanoparticules en phase gazeuse. Afin d’explorer cette similitude, des expériences exploratoires GREMI/IPR ont été menées en 2018 et 2020 grâce au soutien du GDR SUIE. Ces expériences dans un plasma d’argon basse pression au GREMI ont montré qu’un très faible ajout de DMA initiait instantanément la formation de molécules de masses supérieures (par spectrométrie de masse) et la croissance rapide de nanoparticules. Bien que ces conditions soient un peu différentes de celles rencontrées dans l’atmosphère, les plasmas réactifs permettent d’étudier finement les processus moléculaires élémentaires impliquant le DMA et la formation de nanoparticules.

Dans cette thèse, l’exploration poussée de la réactivité du DMA sera entreprise, depuis les processus moléculaires jusqu’à la croissance des nanoparticules. Les expériences plasma du GREMI permettront de diagnostiquer les molécules formées lors de la dissociation du DMA et des recombinaisons successives, en utilisant notamment la spectrométrie de masse. Le plasma sera également caractérisé par sonde de Langmuir, spectroscopie d’émission optique et cavité résonante micro-onde. Cette analyse sera couplée à celle ex-situ des nanoparticules produites (MEB, XPS …) afin de déterminer leurs propriétés et leur composition. Cette étude permettra de mieux appréhender le rôle du DMA dans les processus de nucléation et de formation des noyaux de condensation à l’origine des nuages. En fonction de l’avancée de la thèse, des expériences complémentaires pourront être menées à l’IPR et permettront de mesurer des cinétiques de réactions particulières.

[1] Ceppi P. et al, PNAS (2021), 118, e2026290118
[2] Ge X. et al, Atmospheric Environment (2011), 45, 524-546
[3] Dunne E. M. et al, Science (2016), 354 (6316), 1119

Autres références bibliographiques :
S.M. Alshammari, J.-L. Le Garrec, J.B.A. Mitchell, Electron collisions with dimethylamine and trimethylamine molecules and molecularions, Int. J. Mass Spectrom. 474, 116802 (2022)

I.B. Denysenko, E. von Wahl, S. Labidi, M. Mikikian, H. Kersten, T. Gibert, Effects of process conditions on the chemistry of an Ar/C2H2dust-forming plasma, Plasma Process. Polym. 16, e1800209 (2019)

J. R. Pierce, Cosmic rays, aerosols, clouds, and climate: Recent findings from the CLOUD experiment, J. Geophys. Res. Atmos., 122, 8051 (2017)

R. Zhang et al., Nucleation and growth of nanoparticles in the atmosphere, Chem. Rev. 112, 1957 (2012)

A. Kurten et al., Neutral molecular cluster formation of sulfuric acid–dimethylamine observed in real time under atmospheric conditions, Proc. Nat. Acad. Sci. 111, 15019 (2014)

K. Lehtipalo et al., The effect of acid–base clustering and ions on the growth of atmospheric nano-particles, Nat. Commun. 7, 11594 (2016)