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Les atomes d'hydrogène éjectent des molécules hors de la surface de la glace d'eau

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L'une des conséquences possibles de l'excitation d'une surface par irradiation est la désorption des molécules adsorbées sur cette surface. Ce phénomène fait l'objet d'études fondamentales en science des surfaces depuis des décennies. Pourtant, il n’y a que pour quelques systèmes qu’il a été possible d'élucider, à l'échelle moléculaire, le mécanisme exact par lequel l'énergie de l’irradiation incidente est convertie en mouvement des molécules et leur éjection de la surface.

Une équipe du Laboratoire d'Études du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (Sorbonne Université), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut de Chimie Physique (Université Paris-Saclay), du CERN, et des Laboratori Nazionali di Frascati ont réalisé sur la ligne de lumière DESIRS des expériences prouvant quel mécanisme provoque la désorption photo-induite des molécules légères hors de la surface de la glace d'eau, une surface particulièrement importante et intéressante. Les photons dissocient les molécules d'eau, éjectant des atomes d’hydrogène énergétiques qui entrent en collision avec les molécules adsorbées, ces dernières étant à leur tour éjectées via un transfert de quantité de mouvement explicable par un modèle étonnamment simple.

La désorption induite par des photons (mais aussi par des électrons ou des ions) dans la glace d'eau a fait l'objet d'un nombre considérable de travaux en raison de la pertinence de la glace d'eau dans de multiples contextes. L'un de ces contextes est l'astrochimie. Dans les régions froides de l'univers propices à la formation d'étoiles et de planètes, des molécules se condensent à la surface de minuscules grains de poussière et forment des « manteaux de glace » constitués majoritairement d'eau. Tant que ces grains restent loin des sources de chaleur, les molécules tendent à rester piégées à leur surface. Cependant, des processus non thermiques interviennent pour libérer certaines de ces molécules vers la phase gazeuse, comme le montrent des observations en phase gazeuse qui ne peuvent être expliquées autrement. Ceci met en lumière l'importance de l'étude de processus tels que la photo-désorption dans ce contexte.

De multiples mécanismes ont été proposés dans des études tant théoriques qu'expérimentales pour expliquer la désorption à la surface de la glace d'eau pure. Malgré ces efforts, aucune preuve expérimentale claire permettant d'isoler un mécanisme unique n'avait été avancée jusqu’à présent. Pour tester certaines des hypothèses évoquées, les auteurs ont choisi d'examiner un système légèrement différent de la glace pure : des atomes et molécules de petite taille adsorbés à la surface de la glace d'eau. La partie gauche de la figure 1 présente un schéma simple des principes de l'expérience, où une seule couche atomique/moléculaire d'une espèce (Ar, Kr, CO ou N2) est déposée sur de la glace d'eau normale (H2O) ou de la glace d'eau lourde (D2O). Ce système a été irradié par le faisceau synchrotron et le rendement de la désorption photo-induite sur les espèces adsorbées a été mesuré. L'utilisation du rayonnement synchrotron est essentielle dans ce contexte : ces expériences nécessitent un faisceau de photons monochromatique accordable sur une large gamme dans le domaine dit VUV (Vacuum UltraViolets, 7-14 eV) afin de garantir que seule la glace d'eau est excitée. En outre, ces expériences difficiles exigent un flux de photons suffisamment important, ce que permet la ligne de lumière DESIRS de SOLEIL.

Une étude systématique du rendement de la désorption des différentes espèces adsorbées par l'excitation de l'eau révèle une tendance qui permet de conclure sur le mécanisme. Le fonctionnement de ce mécanisme est assez simple : l'excitation de l'eau provoque tout d'abord la dissociation de la molécule. L'énergie excédentaire est emportée en grande partie par l'atome d'hydrogène. Cet atome d'hydrogène entre ensuite en collision avec des espèces adsorbées à la surface et leur transfère une partie de sa quantité de mouvement, qui peut provoquer la désorption si cette dernière est suffisamment importante. D'où le nom : « kick-out ». Ce mécanisme simple peut être modélisé en première approximation par une collision entre sphères dures, ce modèle dépendant seulement de la masse des deux objets entrant en collision. Il est ainsi possible de calculer pour chaque adsorbat (N2, Ar...) et chaque type de glace (H2O ou D2O, les atomes de deutérium étant deux fois plus lourds que les atomes d'hydrogène) quelle proportion de la quantité de mouvement serait transférée par le H/D à l'adsorbat. Un modèle semi-empirique plus sophistiqué accompagné de quelques considérations énergétiques traduit ce transfert de quantité de mouvement en probabilité de désorption. L'accord entre ce modèle plutôt simple et les données expérimentales est présenté sur le volet de droite de la figure 1. Ce modèle est très performant compte tenu de l'incertitude intrinsèque à des mesures à si faible rendement, de la simplicité du modèle, et du fait qu'il est appliqué à l'échelle moléculaire à des objets quantiques par nature et susceptibles d'intervenir dans bien d'autres phénomènes tels que des collisions réactives.

L'élucidation de ce mécanisme constitue non seulement un pas en avant pour la compréhension fondamentale des phénomènes de désorption hors des surfaces, mais aussi une aide à la modélisation de ces processus dans les domaines variés où ils sont pertinents.

Cette étude utilisé la ligne de lumière DESIRS (projet 20180060). Elle a été soutenue financièrement par le Programme National « Physique et Chimie du Milieu Interstellaire » (PCMI) du CNRS/INSU avec l'INC/INP co-financé par le CEA et le CNES, par le LabEx MiChem et le programme DIM ACAV de la Région Ile-de-France, ainsi que l'Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN, KE3324/TE).

Figure : Un schéma de l'expérience est présenté à gauche de la figure. Une couche de glace d'eau d'une épaisseur d'environ 100 molécules est déposée sur un substrat froid, par-dessus laquelle une couche unique d'atomes ou de molécules est ajoutée. La glace est ensuite irradiée par le rayonnement synchrotron en balayant l'énergie de photon tout en détectant par spectrométrie de masse les diverses espèces éjectées. À droite de la figure, le rendement de désorption (axe y) pour différents systèmes, étiqueté en regard des points sur la figure, est tracé en fonction du transfert de quantité de mouvement attendu d'après le modèle de collision de sphères dures entre les atomes d'hydrogène ou de deutérium (d'une part) et les espèces adsorbées (d'autre part). La zone en vert représente un modèle reliant le transfert de quantité de mouvement et la probabilité de désorption.