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Activités scientifiques

1. Astrochimie

D Baklouti, R Brunetto, L Le Sergeant d’Hendecourt, Paola Modica, F Moussa, M De Person (IAS), M Noun, S Della Negra (IPNO) ;

L’étude des processus solaires se fonde sur les témoins primitifs de la formation du système solaire, que sont la poussière et les météorites primitives. Dans ce contexte nous présentons une nouvelle approche d’analyse élémentaire et structurale par cluster-ToF-SIMS (spectrométrie de masse couplée à de l’imagerie). L’étude est réalisée sur la météorite « Paris » (une chondrite de type CM). L’intérêt de cette météorite est qu’elle appartient à la famille des chondrites indifférenciées qui gardent la mémoire de leur histoire primordiale.

Nous avons analysé un fragment de cette météorite, fourni par le Muséum d’Histoire Naturelle de Paris en utilisant un faisceau de bismuth et d’agrégats de bismuth délivré par la source d’un spectromètre ION-TOF V du LAEC de Beyrouth. La spectrométrie de masse couplée à l’imagerie permet l’identification des composants et leur localisation. Une part importante de cette étude a porté sur la détermination des pollutions et leur élimination contrôlée sans perte d’information. Cette analyse a permis d’établir un protocole pour toutes les futures analyses. Une nouvelle méthode de nettoyage avec des canons à agrégats d’argon a été proposée et va être testée.

Les images ioniques obtenues prouvent que quelques éléments abondants sont également distribués comme l’oxygène et le sodium, d’autres sont localisés comme le calcium, le magnésium, le soufre, le silicium, le fer, le chlore, le potassium, l’aluminium et le cyanure. Il y a également les composants mineurs tels que le fluor et des cyanates, et aussi des traces localisées ou non comme les oxydes de phosphore, le chrome, le nickel, le manganèse, le bore, le cuivre, le cobalt et les composés organiques. Une analyse fine des images ioniques permet la détection de plusieurs composants. Les ions de calcium, leurs oxydes et hydroxydes forment deux familles Ca+, CaOH+, Ca2O+ et une deuxième série, (CaO)2+, (CaO)2H+, (CaO) 3H+, (CaO)4H+ prouvant la caractéristique lithophile du calcium. (Figure 1).

Figure 1 : Distribution du calcium, des ions OH et des composés d’oxyde et d’hydroxyde de calcium

D’autre part, il y a un recouvrement entre la distribution des ions de soufre et de leurs oxydes (S-, SO-, SO2-, SO3-, SO4-) et la région du calcium ce qui explique la présence du sulfate de calcium.

Figure 2 : Distribution du soufre, des oxyde de soufre, et des sulfites et sulfates de calcium

On observe une différence dans l’émission positive et négative des ions de silicium et de leurs composés : trois domaines principaux sont détectés, le premier pour Si+ et SiHO+, le deuxième correspondant à Si- et un troisième à des silicates. Cette différence d’émission peut être due à la présence du silicium dans divers composés et environnements. Nous avons aussi identifié un chondre (une structure généralement observée dans cette classe de météorites, constituée par le chauffage rapide à température élevée d’un précurseur solide suivi du refroidissement) inclus dans une matrice de silicate et de fer. Ce chondre est caractérisé par une présence importante de magnésium, qui s’agglomère probablement (Mg+ et Mg2+) autour du silicium (Si). Dans les secteurs de la coexistence des éléments Mg, Si et O, nous trouvons le composé MgSiO+.

En plus des minéraux, deux types d’ions organiques situés à des emplacements différents ont été détectés. Le premier est de type CxHy avec plusieurs composés CmHnO2N situés en dehors du chondre, ces ions sont corrélés avec du fer et en anti-corrélation avec l’oxygène. Le deuxième type se compose des cyanures et des cyanates.

Figure 3 : Distribution du ions CN- , CNO- et des molécules organiques.

La météorite « Paris » étudiée par ToF-SIMS, a aussi été étudiée par des méthodes IBA avec l’analyse élémentaire par PIXE (émission de Rayon X Induite par Particule), μ-PIXE et RBS (Spectrométrie de Bakscattering de Rutherford) qui ont montré la complémentarité de ces approches pour obtenir une quantification et une détermination assez aisée des différents composés élémentaires et de leur structure. Ceci permettra de déterminer l’origine et les conditions dans lesquels la matière organique s’est agrégée et/ou synthétisée pour produire des molécules pré-biotiques. Ce fragment de la météorite « Paris » a aussi été analysé par les techniques usuelles astrophysiques : IR et Raman, mais avec une résolution spatiale micrométrique ce qui permet d’avoir des images du même échantillon par plusieurs techniques fournissant des informations complémentaires en terme de structure.

Ces expériences sont développées pour l’analyse en laboratoire de futurs échantillons collectés dans l’espace et en particulier des astéroïdes riches en carbone. L’accent est aussi mis sur les avantages de coupler des techniques utilisées en télédétection (spectroscopie IR) et des techniques de laboratoire avec une grande résolution spatiale (µRaman et IR, ClusterToF-SIMS et µRBS et PIXE).

Un deuxième volet de ces études concerne la simulation des environnements astrophysiques interstellaire et pré-cométaire. L’équipe de L. D’Hendecourt à une grande expérience sur ce volet d’étude et elle a développé des méthodes adaptées. Fondamentalement des mélanges de molécules de gaz simples (H2O, CH3OH, NH3) sont préparés à la température ambiante et condensés sous vide sur un substrat froid à 80 K pour simuler l’agrégation de ces molécules sur des grains de poussière dans l’espace. Ensuite ces échantillons sont irradiés par de la lumière UV Simulant le champ de rayonnement dans l’espace. L’échantillon ainsi obtenu est réchauffé jusqu’à la température ambiante pour simuler l’évolution thermique d’une glace. Le résidu organique obtenu est analysé à la fin du cycle. La spectrométrie IR est employée pour la surveillance in-situ des échantillons pendant leur préparation. L’analyse est réalisée grâce à la spectroscopie IR et à la CG MS (Chromatographie gazeuse et spectrométrie de masse). Notre collaboration correspond à la mise en œuvre d’autres techniques : HPLC et spectrométrie de masse MALDI et Cluster-SIMS. Les premiers résultats d’analyse de ces résidus ont montré qu’ils étaient constitués d’un mélange organique complexe avec une large distribution en masse, où les composants macromoléculaires ayant des masses entre 1000 et 3000 u sont détectés pour la première fois dans un résidu de laboratoire. L’intérêt de ces composants macromoléculaires se situe dans leurs propriétés, comme leur haute fonctionnalité chimique et leur solubilité élevée dans l’eau qui en font des candidats potentiels pour la chimie pré-biotique. Parallèlement ces échantillons sont en cours d’analyse par impact ionique, le travail principal est la mise en place de protocoles permettant la détection des pollutions dues aux procédés de préparation des échantillons et leur élimination.

2. Nanoparticules

V. Huc (ICMMO), M. Noun, S. Della-Negra (IPNO), B. Rasser (OrsayPhysics)

Le premier point a été réalisé en collaboration avec OrsayPhysics : des faisceaux métalliques de nano-gouttelettes ont été fournis par une source et une colonne FIB (Focused Ion beam) COBRAX développées par OrsayPhysics. Les caractéristiques des faisceaux d’ions obtenues sont semblables à ceux de mes colonnes et sources d’ions que j’ai développées à l’IPNO. Cette source sera la base de la nouvelle source de nanoparticules d’ANDROMEDE : NAPIS. Nous aurons ainsi un produit industriel qui sera reproductible.

Le deuxième volet de ces études a été effectué en collaboration avec V. Huc de l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay. Nous avons utilisé la spectrométrie de masse pour contrôler les processus de synthèse des nanoparticules développés par. V. Huc. Celui-ci utilise un nouveau ligand organique : le calixarène fonctionnalisé par un thio-ester pour la synthèse des nanoparticules métalliques comme l’or et le platine. Dans ces cas il observe de petits nano-cristaux avec une taille nanométrique dont la distribution est étroite indiquant qu’un processus de sélection en taille se produit pendant la synthèse. Ce processus pourrait être lié à la structure des calix[8]arènes et au nombre de ligands de type thiolate par molécule. Les modifications de la taille de ce genre de molécules et du nombre de liaisons disponibles de la surface métallique permettent de choisir la taille des nano-objets. Avec ce travail, nous avons commencé la caractérisation des surfaces nano-structurées qui est un des sujets d’application d’ANDROMEDE. La spectrométrie de masse de type cluster-SIMS est parmi les outils d’analyse les plus performants, car c’est la seule technique expérimentale permettant l’observation directe des objets moléculaires greffés sur une surface. C’est particulièrement important si l’on considère que les candidats les plus prometteurs pour le stockage de l’information moléculaire sont constitués par un noyau d’oxyde entouré par des ligands organiques. Cette structure de surface magnétique basée sur des oxydes est le plus souvent employée pour les greffes moléculaires ce qui rend difficile la séparation entre le substrat et la greffe moléculaire avec les outils d’analyse « conventionnels » (XPS, AFM, IRRAS…).

3. Biologie (en développement à venir)

Martine Caroff, Luis Augusto (IGM), Alexey Novikoff, Asmaa Jobic (Lpsbiosciences)


4. Intéraction nano-particules / matière (en développement à venir)

Collaboration TAMU / IPNO



 

IPN

Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
UMR 8608 - CNRS/IN2P3

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