Adsorption on interstellar analog surfaces : from atoms to organic molecules
Adsorption sur surfaces analogues interstellaires : des atomes aux molécules organiques
Résumé
Gas-grain interaction plays an important role in the chemistry of the cold interstellar medium and protoplanetary disks. A key parameter for modeling the exchange between grain surfaces and gas phase is adsorption energy, Ea. This work aims to develop a reliable and systematic experimental/theoretical approach to determine the adsorption energies of relevant atoms and molecules on models of interstellar grain surfaces. Employed experimental technique is the Temperature Programmed Desorption. Developed experimental protocol and data treatment technique based on distribution of adsorption energies and use of a set of heating rates enable to determine the coupled parameters of Polanyi-Wigner equation: adsorption energy Ea and prefactor N. Computational chemistry approach, Density Functional Theory (DFT) as implemented in Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) is used to get the insight on the behaviour of the surface-adsorbate systems at the atomic level. This approach allows as well to determine adsorption energies. A presence of multiple adsorption sites with different adsorption energies is predicted. Methanol CH3OH adsorption on graphite is used as a known example to validate the technique. Ar/Kr/Xe adsorption on water ice is studied as a case relevant for planetology. Acetonitrile (CH_3CN) and methyl isocyanide (CH_3NC) adsorption on water ice, quartz and graphite is investigated since those two molecules are both detected in the interstellar medium. Adsorption energies determined in this work will be included in KIDA database.
Les interactions gaz-grains jouent un rôle important dans la chimie des milieux interstellaires et protoplanétaires. Le paramètre-clé qui gouverne les échanges entre la surface des grains et la phase gazeuse est l’énergie d’adsorption Ea. Ce travail a pour but de développer une approche jointe expérimentale et théorique afin de déterminer les énergies d’adsorption pour des atomes et molécules d’intérêt astrophysique sur des substrats-modèles des surfaces des grains de poussière interstellaires. Expérimentalement, la méthode employée est la désorption programmée en température (TPD). Le travail a contribué en l’établissement d’une méthode de traitement des courbes de désorption, basée sur une distribution d’énergie d’adsorption et utilisant un set limité de données à plusieurs rampes de chauffage, pour déterminer le couple de paramètres de l’équation de Polanyi-Wigner que sont l’énergie d’adsorption et le préfacteur. D’un point de vue de la chimie théorique, les énergies d’adsorption sont déterminées en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) implémentée dans le module Vienna Ab initio Simulation Package (VASP). Cette méthode permet également d’accéder aux géométries d’adsorption, ainsi qu’aux différents sites sur la surface. La méthode expérimentale a été validée par une comparaison avec un système connu : l’adsorption du méthanol CH3OH sur le graphite. L’adsorption des gaz rares Ar/Kr/Xe sur les glaces d’eau a été étudiée comme un cas d’intérêt pour la planétologie. L’adsorption de l’acétonitrile (CH3CN) et de son isomère l’isoacétonitrile (CH3NC) sur les surfaces de graphite, de quartz et de glaces d’eau a également été étudiée, puisque ces deux molécules sont détectées dans le milieu interstellaire. Les énergies d'adsorption trouvées dans le cadre de ce travail seront intégrées dans la base des données KIDA.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Loading...