Ce travail de th`ese consiste `a caract´eriser les propri´et´es structurales, ´energ´etiques, spectroscopiques et la r´eactivit´e de complexes π [SiPAH]0/+ qui r´esultent de l’adsorp-tion du silicium sur la surface aromatique, en combinant calculs de chimie quantique et exp´eriences de laboratoire avec le dispositif PIRENEA (Pi`ege `a Ions pour la Recherche et l’Etude de Nouvelles Esp`eces Astrochimiques), une exp´erience de type FTICR d´edi´ee `a l’astrochimie. L’objectif ´etant de contribuer `a l’apport de donn´ees fondamentales sur ce type d’´edifice mol´eculaire pour mieux contraindre les param`etres physiques et chi-miques des mod`eles d’´evolution de la mati`ere interstellaire, les implications astrophy-siques de ces diff´erents travaux sont discut´ees tout au long du manuscrit.
Suite `a ce chapitre introductif, le manuscrit s’articule comme suit :
– Les chapitres 2 et 3 sont d´edi´es `a l’´etude de la structure ´electronique de ces
complexes. Le chapitre 2 introduit les concepts fondamentaux des m´ethodes ab
initio et de la th´eorie de la fonctionnelle de la densit´e. Apr`es une ´etude compa-rative des surfaces d’´energie potentielle de petits syst`emes de r´ef´erence calcul´ees `a ces diff´erents niveaux de th´eorie, les structures et l’´energ´etique des complexes
1.6 Pr´esentation de la th`ese 27 [SiPAH]0/+, calcul´ees au niveau DFT, ainsi que leurs caract´eristiques vibration-nelles obtenues dans l’approximation harmonique, sont d´etaill´ees dans le chapitre
3.
– Le chapitre 4 pr´esente une ´etude originale ab initio combinant m´ethodes multi-r´ef´erentielles et localisation des orbitales pour traiter la formation/dissociation de complexes [SiPAH]+.
– Les chapitres 5et6sont d´edi´es aux calculs de spectres IR anharmoniques via des simulations de dynamique mol´eculaire Born-Oppenheimer effectu´ees `a temp´eratures finies. Le chapitre 5 pr´esente les fondements th´eoriques sur lesquels reposent la dynamique mol´eculaire Born-Oppenheimer, tout comme les consid´erations tech-niques et les limitations qui lui sont associ´ees. Ce chapitre d´ecrit ´egalement le potentiel de liaisons fortes SCC-DFTB (Self Consistent Charge - Density Func-tional based Tight Binding) utilis´e pour r´ealiser ces simulations de dynamique mol´eculaire. Le chapitre 6d´etaille en premier lieu la proc´edure de calibration de ce potentiel, n´ecessaire `a la reproduction des surfaces d’´energie potentielle des complexes [SiPAH]+ et de leurs spectres harmoniques obtenus pr´ec´edemment au niveau de th´eorie DFT. Les spectres IR anharmoniques sont ensuite pr´esent´es et analys´es en fonction des trajectoires simul´ees.
– Le chapitre 7 pr´esente une ´etude pr´eliminaire de la r´eactivit´e du syst`eme {Si+; C24H12} effectu´ee avec l’exp´erience PIRENEA dans des conditions d’isolement proches de celles du milieu interstellaire. Les r´esultats de cin´etique obtenus sont discut´es sur la base de donn´ees thermochimiques th´eoriques et des r´esultats
publi´es dans la litt´erature. La photophysique des complexes π [SiPAH]+ est
´egalement abord´ee grˆace `a des simulations de photodissociation r´ealis´ees avec un algorithme Monte-Carlo cin´etique.
Une synth`ese des principaux r´esultats et des propositions de pistes de recherche pour poursuivre ces ´etudes closent ce manuscrit.
Chapitre 2
Structure ´electronique et calculs ab
initio
L
es m´ethodes de calculs de structure ´electronique ont ´et´e utilis´ees aucours de ce travail de th`ese pour optimiser les g´eom´etries des com-plexes π [SiPAH]0/+, d´eterminer leurs propri´et´es thermochimiques et spec-troscopiques, ´etudier leurs chemins de formation/dissociation, param´etrer leurs surfaces d’´energie potentielle d´edi´ees `a une ´etude dynamique. Ce chapitre pr´esente les concepts fondamentaux sur lesquels ces m´ethodes reposent. L’objectif vis´e est d’introduire leurs sp´ecificit´es propres (degr´e de prise en compte de la corr´elation ´electronique, calculs sur l’´etat ´electronique fondamental ou sur les ´etats ´electroniques excit´es, s´eparabilit´e de la fonction d’onde, coˆut num´erique) dont on a tir´e parti pour mener `a bien les diff´erentes probl´ematiques ci-dessus nomm´ees.30 Structure ´electronique et calculs ab initio Les calculs de structure ´electronique de mol´ecules en phase gazeuse sont le fait d’une discipline : la chimie quantique. Cette discipline consiste `a suivre les pr´eceptes de la m´ecanique quantique en les appliquant `a des syst`emes mol´eculaires. La mod´elisation des interactions et couplages qui ont lieu au sein de la mati`ere (interactions noyau-noyau, noyau-´electron et ´electron-´electron) a ainsi pour but l’extraction de ses propri´et´es phy-siques et chimiques : propri´et´es optiques, thermochimiques, magn´etiques, de r´eactivit´e, etc...
L’interaction ´electron-´electron, au moins dans les syst`emes qui ne n´ecessitent pas la prise en compte d’effets relativistes, est l’interaction la plus difficile `a mod´eliser. La prise en compte de la corr´elation ´electronique, c’est-`a-dire la prise en compte du fait qu’`a chaque instant un ´electron ressent et interagit avec les autres ´electrons qui l’en-tourent, est `a ce titre fondamentale. Pourtant, la m´ethode Hartree-Fock, qui d´ecrit les mouvements de l’´electron dans le champ moyen des autres ´electrons, permet de repro-duire ∼ 99 % de l’´energie totale du syst`eme consid´er´e. Cependant, la description pr´ecise des liaisons chimiques d’un syst`eme mol´eculaire, qui d´efinissent la topologie de son pay-sage d’´energie, n´ecessite la plupart du temps d’aller au-del`a de cette approximation de champ moyen.
En premier lieu est introduite la m´ethode Hartree-Fock, puis les m´ethodes post Hartree-Fock qui corrigent l’´energie Hartree-Fock par l’introduction a posteriori de la corr´elation ´electronique. Ces m´ethodes constituent les m´ethodes rigoureusement ab initio. Vient ensuite la th´eorie de la fonctionnelle de la densit´e, qui, en substituant la va-riable fonction d’onde par la densit´e ´electronique du syst`eme atomique ou mol´eculaire, permet l’introduction de la corr´elation ´electronique `a moindre frais.
2.1 Formalisme du probl`eme `a N ´electrons
On consid`ere un syst`eme mol´eculaire compos´e de N noyaux I de positions RI et de masses ZI, de n ´electrons i de positions ri et de masse me dont la fonction d’onde Φ(. . . , RI, . . . ; . . . , ri, . . . ; t) = Φ(r; R, t) permet la description quantique.
L’approximation de Born-Oppenheimer consid`ere que les ´electrons, du fait de leur faible inertie compar´ee `a celle des noyaux ( melectron´
mproton, neutron ≃ 1
1836), gravitent autour de noyaux fix´es dans l’espace. Les coordonn´ees nucl´eaires R peuvent ainsi ˆetre trait´ees comme param`etres alors que les coordonn´ees ´electroniques r sont les variables de l’´equation de Schr¨odinger ind´ependante du temps et non-relativiste :
ˆ
HΦ(r; R) = E(R)Φ(r; R) (2.1)
o`u l’op´erateur hamiltonien ´electronique ˆH pour un syst`eme `a n ´electrons et N charges ponctuelles s’´ecrit : ˆ H = −12 n X i ▽2i − n X i N X I ZI riI + n X i n X i<j 1 rij (2.2)
2.1 Formalisme du probl`eme `a N ´electrons 31
Le premier terme correspond `a l’´energie cin´etique des ´electrons, le deuxi`eme `a l’interac-tion coulombienne noyau et le troisi`eme `a l’interacl’interac-tion coulombienne ´electron-´electron. Dans le cadre de cette approximation dite adiabatique, les surfaces E(R) des ´etats ´electroniques correspondent aux surfaces d’´energie potentielle (Potential Energy Surface, PES) pour les noyaux.
L’estimation de l’interaction ´electron-´electron ´etant la difficult´e principale des cal-culs de structures ´electroniques, consid`erons dans un premier temps une fonction d’onde Ψ0 en n´egligeant le potentiel ´electron-´electron. L’op´erateur hamiltonien peut alors s’´ecrire comme une somme d’op´erateurs mono-´electroniques de coeur ˆhi o`u :
ˆhi = −12▽2i − N X I ZI riI (2.3)
On peut alors exprimer Ψ0 comme un produit de fonctions mono-´electroniques φ0 a(i) :
Ψ0 = φ01(1)φ02(2) · · · φ0n(n) (2.4)
On est ramen´e `a r´esoudre :
ˆhiφ0a(i) = ǫ0aφ0a(i) (2.5)
o`u ǫ0
aest l’´energie d’un ´electron dans l’orbitale a. Tous les ´electrons sont ici ind´ependants. L’introduction du spin de l’´electron dans la fonction d’onde se formalise par le concept de spin-orbitale χa: une spin-orbitale est le produit d’une orbitale, ou fonction mono-´electronique φ0
a(i), par une fonction de spin. La fonction d’onde, anti-sym´etrique par le principe d’exclusion de Pauli, s’´ecrit alors sous la forme d’un d´eterminant de Slater qui respecte ce principe :
Ψ0 = √1 n! χ1(1) χ2(1) · · · χ1(1) χ1(2) χ2(2) · · · χ1(1) .. . ... . .. ... χ1(n) χ2(n) · · · χn(n) (2.6)
usuellement symbolis´e Ψ0 = |χ1χ2· · · χni. L’usage du d´eterminant de Slater permet ainsi de prendre en compte le trou de Fermi, qui correspond `a l’espace vacant dˆu `a la r´epulsion entre deux ´electrons de mˆeme spin.
Dans le cas le plus g´en´eral, la fonction d’onde poly-´electronique Φ est consid´er´ee comme une combinaison lin´eaire de tous les d´eterminants ΨI :
Φ =X
I
32 Structure ´electronique et calculs ab initio Ainsi, une base compl`ete de fonctions multi-´electroniques permet de d´ecrire de mani`ere exacte la fonction d’onde poly-´electronique. La r´esolution de l’´equation de Schr¨odinger revient ainsi `a un probl`eme d’alg`ebre lin´eaire, pour lequel la solution est obtenue en r´esolvant l’´equation aux valeurs propres :
HC = EC (2.8)
o`u H est la matrice repr´esentant l’op´erateur Hamiltonien ˆH dans la base des d´eterminants, ǫi les ´el´ements de la matrice diagonale E repr´esentant l’´energie ´electronique, et les co-lonnes ci de la matrice C les vecteurs propres correspondants. Le d´eveloppement par combinaison lin´eaire de d´eterminants pour r´esoudre l’´equation aux valeurs propres est une interaction de configurations (Configuration Interaction, CI). Dans ce cas les m´ethodes de calculs de structure ´electronique sont dites multi-r´ef´erentielles, alors que les m´ethodes qui ne consid`erent qu’un seul d´eterminant sont dites mono-r´ef´erentielles.