The Nitrogen Chemistry in Solid Phase at Cryogenic Temperatures: Molecular Evolutions in Interstellar Clouds and Planetary Atmospheres
La chimie de l'azote en phase solide à température cryogénique : évolutions moléculaires dans les nuages interstellaires et les atmosphères planétaires
Résumé
Nitrogen is the fifth most abundant element in the Universe, and the most significant reservoirs of this element are molecular clouds, dark clouds, and proto-planetary discs. Due to the conditions of the interstellar medium, most of the nitrogen exists in atomic form. Even the enormous abundance of this element there are not many studies aimed at understanding the role that nitrogen plays in the chemistry of dark molecular clouds and other cold regions of the Universe where the UV light and other energetic particles are not able to penetrate. In the present Ph-D thesis, we have explored the reactivity of atomic nitrogen in ground state N(4S) thermally induced with small organic compounds in the solid phase at cryogenic temperatures from 3 to 40K using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analysis.
We have shown that gradual heating in a first step, between 3 and 10K, stimulates N(4S) - N(4S) recombination and the consequent formation of the excited forms of nitrogen N2(A) and N(2D). These species play an essential role in the dissociation of H-C bearing species to form radicals. Then, in a second step, the continuous heating from 10 to 40K, induces the recombination of the radicals formed in the first step to produce more stable and complex compounds. During this process, there are observed reactions of addition, H-elimination, C-N, C-C formation, molecular fragmentation and isomerization. From these experiments, we have demonstrated that role of atomic nitrogen in dark molecular clouds is equivalent to that of UV light in diffuse clouds.
L'azote est le cinquième élément le plus abondant de l'Univers, et les réservoirs les plus importants de cet élément sont les nuages moléculaires, les nuages sombres et les disques proto-planétaires. En raison des conditions du milieu interstellaire, la majeure partie de l'azote existe sous forme atomique. Bien que les espèces azotées soient très abondantes dans le milieu interstellaire et dans certaines atmosphères planétaires et cométaires, peu d’études de laboratoire ont été réalisées visant à comprendre le rôle d'azote atomique dans la chimie de ces régions froides de l'Univers. Dans ce travail de thèse, nous avons exploré la réactivité, en phase solide et aux températures cryogéniques, de l'azote atomique à l’état fondamental N (4S) avec des composés organiques simple comme CH4 et CH3CN. Les réactifs, produits et intermédiaires de réaction sont sondés in situ par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF). Nous avons montré, dans une première étape, que le chauffage progressif de nos échantillons solides entre 3 et 10 K, stimule la recombinaison atomique N(4S) - N(4S) et la formation de formes excités de l'azote atomique et moléculaire, N2(A) et N(2D). Ces espèces sont très réactives et jouent un rôle essentiel dans la dissociation de composés organiques. Dans une seconde étape, le chauffage continu de 10 à 40 K induit principalement des recombinaisons des radicaux formés dans la première étape conduisant à la formation de molécules organiques complexes comme NH3, C2H6, HCN et HNC. Ces études ont permis également de montrer que la mobilité de l’azote atomique induite thermiquement est source de réactions chimiques très complexes comme les processus d'addition radicalaire, d'élimination H, de fragmentation et d'isomérisation moléculaire. Ces travaux de recherche décrivent le rôle de l'azote atomique en phase solide des nuages moléculaires comme étant très semblable à celui des rayonnements UV dans les nuages diffus.