Une nouvelle voie rapide de formation des nanoparticules de carbone dans l’espace

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques sont très répandus dans l’espace, mais leur abondance observée ne peut être expliquée par les mécanismes de croissance chimique connus. 

Grâce à des expériences menées sur la ligne de lumière DESIRS du synchrotron SOLEIL, des chercheurs de l’Université d’Hawaï à Mānoa et de la National Dong Hwa University, en collaboration avec l’équipe DESIRS-SAPHIRS, ont identifié une nouvelle voie réactionnelle susceptible de permettre à ces molécules riches en carbone de croître beaucoup plus rapidement.

Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des molécules constituées de cycles carbonés fusionnés. On les retrouve dans tout l’Univers : dans des météorites telles que Murchison et des astéroïdes comme Ryugu, mais aussi dans les nuages interstellaires et les enveloppes entourant les étoiles en fin de vie. Ils représentent une fraction importante du carbone présent dans l’espace. Une question reste toutefois en suspens : comment ces molécules peuvent-elles croître suffisamment rapidement pour atteindre les abondances et les tailles observées ou prédites par les astronomes ?

Le mécanisme de croissance à haute température le mieux connu, appelé HACA (Hydrogen Abstraction–aCetylene Addition, ou abstraction d’hydrogène–addition d’acétylène), permet de construire les HAP cycle par cycle. Ce processus est cependant trop lent pour expliquer les abondances observées. D’autres mécanismes plus rapides, proposés plus récemment, ne permettent pas non plus d’expliquer pleinement la formation rapide de grosses molécules aromatiques. Ces observations laissent penser que des voies réactionnelles encore inexplorées pourraient contribuer à leur croissance.

Des chercheurs de l’Université d’Hawaï à Mānoa et de la National Dong Hwa University, en collaboration avec l’équipe DESIRS-SAPHIRS du synchrotron SOLEIL, ont cherché à déterminer si des radicaux aromatiques de plus grande taille pouvaient être impliqués dans une voie de croissance rapide des HAP. Ils ont étudié, à haute température, des réactions entre des radicaux naphtyle et du naphtalène ou du biphényle, dans des conditions représentatives de certains environnements circumstellaires riches en carbone.

Les expériences ont mis en évidence un mécanisme baptisé AAC (Aryl Addition–dehydroCyclization, ou addition arylique–déhydrocyclisation). Contrairement aux mécanismes qui forment les cycles un par un au terme de plusieurs réactions successives, l’AAC peut entraîner une augmentation importante de la masse moléculaire à la suite d’une seule collision réactive. Il permet ainsi d’intégrer simultanément trois cycles ou davantage à une structure aromatique plus grande.

La ligne de lumière DESIRS a joué un rôle essentiel pour déterminer précisément quelles molécules étaient formées. Les produits de réaction issus d’un microréacteur pyrolytique contenant les précurseurs appropriés, placé dans la chambre source du dispositif à faisceau moléculaire SAPHIRS (Fig. 1), ont été analysés par photoionisation sans fragmentation, à l’aide du rayonnement synchrotron ultraviolet sous vide (VUV) accordable. Les chercheurs ont utilisé pour cela le spectromètre DELICIOUS 3, un spectromètre de coïncidence photoélectrons/photoions à double imagerie (i²PEPICO), installé à l’intérieur du dispositif SAPHIRS.

Figure 1 : La station expérimentale SAPHIRS sur la ligne de lumière DESIRS, où les réactions à haute température sont couplées à la photoionisation VUV par rayonnement synchrotron et à la spectrométrie i²PEPICO.

En enregistrant les courbes d’efficacité de photoionisation et les spectres de photoélectrons, les chercheurs ont pu détecter, identifier et quantifier de manière sélective selon leur structure moléculaire les cinq HAP à cinq cycles suivants : le benzo[b]triphénylène, le benzo[4]hélicène, le benzo[k]fluoranthène, le benzo[j]fluoranthène et le pérylène.

Ces mesures ont également révélé deux façons dont le mécanisme AAC peut remodeler le squelette carboné (Fig. 2). La formation de cycles à six atomes favorise la création de structures aromatiques planes, tandis que celle de cycles à cinq atomes introduit une courbure. Cette chimie pourrait donc contribuer non seulement à la croissance des HAP, mais aussi, à terme, à la formation de nanostructures carbonées de plus grande taille, telles que les feuillets de graphène, les nanotubes et les fullerènes. Ces processus présentent également un intérêt pour la chimie de la combustion, dans laquelle la croissance des HAP intervient comme étape intermédiaire dans la formation des suies.

Figure 2 : Schéma réactionnel de l’addition arylique–déhydrocyclisation (AAC). Schéma général du mécanisme AAC montrant la formation de cycles à cinq et six atomes par addition d’un radical aryle, respectivement sur un bord en zigzag à trois atomes de carbone et dans une configuration en « cavité » à quatre atomes de carbone. Les réactifs sont représentés en rouge et en bleu, tandis que les liaisons nouvellement formées sont représentées en cyan.

De futurs travaux viseront à appliquer les techniques utilisées ici afin de déterminer jusqu’où ce processus peut se poursuivre avec des radicaux et des molécules aromatiques de plus grande taille, et à explorer de nouvelles voies de croissance des HAP. L’intégration de ces réactions dans les modèles astrochi­miques pourrait, à terme, contribuer à établir un lien entre les mesures expérimentales de croissance moléculaire en laboratoire et l’évolution du carbone cosmique, depuis les petites molécules aromatiques jusqu’à la matière carbonée complexe.