Molécules en mouvement

1. Molécules en mouvement Daniel SIMON Laboratoire de spectrométrie ionique et moléculaire Université Lyon 1 et CNRS

2. Modèles de molécules Modèles éclatés fluorene eau

3. Modèles de molécules Modèles compacts eau fluorene

4. Les molécules tournent …

5. Echelles de temps • Mouvements de rotation des molécules Eau : constantes rotationnelles : 630 GHz ; 330 GHz ; 215 GHz  ~ 10-12 s Fluorène : constantes rotationnelles : 2.15 GHz ; 0.58 GHz ; 0.46 GHz  ~ 10-9 s Rotateurs asymétriques

6. Les molécules vibrent …

7. Echelles de temps • Mouvements de vibration des molécules Eau : 3 modes normaux de vibration : 3657 cm-1 ; 1595 cm-1 ; 3755 cm-1 Temps caractéristique : 10-14 s Fluorène : 63 modes normaux de vibration !

8. Le mouvement de vibration • L’oscillateur harmonique en mécanique quantique n=3 n=2 n=1 hn n=0

9. Le mouvement de vibration Oscillateur harmonique

10. Le mouvement de vibration • Paquet d’onde

11. Mouvements de « déformation » des molécules L’effet tunnel dans la molécule d’ammoniac

12. Inversion de l’ammoniac n = 24 GHz

13. Mouvements de « déformation » des molécules La torsion autour d’une liaison C-C : changement de conformation V2=960 cm-1

14. Echelles de temps • Mouvements des électrons dans une molécule ? Temps caractéristique : 10-17 s

15. Densité électronique

16. Mouvement des électrons • Born-Oppenheimer : la densité électronique dépend de la position des noyaux mais pas de leur vitesse • Polarisation sous l’effet d’un champ électrique : • Statique • Dynamique : linéaire et non linéaire

17. Echelle des temps (s) 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10-15 fluorescence rotation vibration Physique dissociations Chimie protons éliminations photosynthèse vision Biologie mouvement des protéines résolution nécessaire : 10 fs

18. Explorer l’échelle des temps • Peut-on observer, peut-on modéliser ces mouvements ? Rotation de molécules O2 adsorbées sur une surface de platine D’après W. Ho (1998)

19. Explorer l’échelle des temps Rotor moléculaire Rotation d’une molécule d’hexa-tert-butyl-decacyclene adsorbée sur une surface de cuivre D’après C. Joachim (1999)

20. Lasers pulsés : Exemple typique impulsion : 10 fs (4,5 fs !) cadence : 20 Hz longueur d’onde : 620 nm énergie : 10 mJ puissance crête : 1 GW Optique non-linéaire : Polarisation : P=c(1)E+ c(2)E2+… avec E=E0sin2pnt Explorer l’échelle des temps hn doublage de fréquence 2hn hn

21. Principe des expériences pompe-sonde

22. Le paquet d’ondes E n’ Dt=10-14 s => DE=60 meV n=0 RAB

23. Vibration et rotation de I2 • période de vibration ~300 fs • période de rotation ~600 ps Zewail, 1990

24. Surfaces d’énergie potentielle

25. Surfaces d’énergie potentielle • Dynamique moléculaire : • Classique • Quantique (propagation d’un paquet d’onde) • Qu’est-ce qu’une surface d’énergie potentielle ? • Hypersurface obtenue en déplaçant les noyaux • Ce n’est pas une observable

26. Surfaces d’énergie potentielle Trajectoires

27. Etot Coordonnée de réaction Coordonnée de réaction Calculs de spectres vibrationnels Chimie quantique statique Dynamique moléculaire quantique optimisation de géométrie (0 K) dynamique à température finie (ex: 300 K) petits systèmes, avec quelques molécules d'eau environnantes soluté + solvant le soluté est complètement solvaté (quelques couches) D’après M.-P. Gaigeot

28. exp DM quantique Dynamique moléculaire quantique M.-P Gaigeot, M. Sprik, JPCB, 2003 Calcul des forces par des méthodes quantiques

29. Dynamique dans les états excités :les intersections coniques

30. En guise de conclusion « A. 3 Quelle interprétation donner au niveau microscopique? Interprétation de la réaction chimique en termes de chocs efficaces » (Programme de T.S, 2001) (Programme de 4ème, 2005)

31. En guise de conclusion Edward MUYBRIDGE (1830-1904)