Recherches
Ions moléculaires · Intermédiaires réactifs · Basse température
Je développe des instruments pour préparer, manipuler et mesurer des espèces moléculaires. Du dépôt d’ions sur surfaces à la détection d’intermédiaires réactifs et aux réactions à basse température, mes recherches portent autant sur les phénomènes étudiés que sur les conditions expérimentales nécessaires pour les mesurer correctement.
Mon travail associe la conception de dispositifs, la mise au point des protocoles et l’analyse des données. Comprendre ce qui relève du phénomène physique et ce qui vient du dispositif de mesure est au cœur de ma démarche.
Préparer et déposer des ions moléculaires
Au Max Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF), nous développons une plateforme de dépôt par faisceau d’ions électrospray (ESIBD). L’objectif est de préparer des ions moléculaires dans des états de solvatation ou de complexation définis, puis de les déposer sur une surface pour les imager individuellement par microscopie à sonde locale. Nous cherchons ainsi à étudier comment les molécules de solvant et les ions métalliques modifient leur structure.
Je contribue au développement instrumental du dispositif, notamment à la source électrospray, à l’optique ionique et à l’interfaçage des équipements. La plateforme est en cours d’assemblage ; le contrôle de l’état chimique des ions avant dépôt est un objectif de ce développement, pas encore une capacité démontrée du nouvel instrument.
Principe du dispositif et développements en cours
Le dispositif est conçu pour transférer des ions produits en solution vers une surface sous ultravide, après sélection de leur rapport masse/charge et dépôt doux. Deux développements doivent permettre de contrôler leur environnement chimique : une chambre piège quadrupolaire pour les faire interagir avec des molécules volatiles, et une source nano-électrospray fonctionnant dans des conditions gazeuses contrôlées.
Ces développements sont présentés dans ma note sur l’IMSC 2026. Pour le contexte scientifique du projet : groupe de Kelvin Anggara.
Mesurer les intermédiaires réactifs
Lors de mon postdoctorat au KTH, à Stockholm, j’ai développé des outils de mesure pour étudier des espèces peu concentrées et très réactives, notamment les radicaux peroxy et les intermédiaires de Criegee. Comment mesurer leur réactivité sans confondre les réactions dans le gaz avec les pertes sur les parois du dispositif ? Cette question relie mes travaux sur la détection par spectrométrie de masse, les réacteurs en écoulement et le traitement des données.
J’ai contribué au développement et à l’optimisation d’un spectromètre de masse à transfert de protons et temps de vol (PTR-TOF-MS) pour la mesure directe de radicaux peroxy. En suivant les radicaux méthylperoxy et isopropylperoxy au contact de différents matériaux, nous avons montré que leurs pertes sur l’acier inoxydable et l’aluminium pouvaient dominer les réactions en phase gazeuse, dans les conditions étudiées. Ces résultats, publiés dans JACS Au, mettent en évidence le rôle des réactions d’oxydoréduction aux surfaces : le matériau du réacteur peut modifier la chimie que l’on cherche à mesurer.
Réacteurs, détection et traitement des données
J’ai développé un réacteur tubulaire fonctionnant en continu, sans pièce mobile, pour des mesures quantitatives à température ambiante et pression atmosphérique. Une variante utilise un bras tampon pour faire varier le temps de résidence par le débit. Ces dispositifs permettent d’étudier la réactivité en phase gazeuse et les pertes aux interfaces.
Dans l’étude des surfaces, les spectres de masse étaient acquis chaque seconde. L’identification des signaux des radicaux était vérifiée par ajout de monoxyde d’azote (NO), qui les consomme. Le suivi des radicaux et de leurs produits permettait ainsi de relier leur disparition aux réactions sur les matériaux.
Pour traiter les données du PTR-TOF-MS, j’ai écrit MassSpec.jl en Julia. Ce logiciel open-source accompagne le traitement de jeux de données de l’ordre de 1 Go par heure d’expérience. Les outils logiciels sont regroupés dans la page Ressources.
J’ai également participé à des campagnes sur les émissions gazeuses et particulaires produites par l’usure des freins. Nous avons montré que l’oxydation des émissions gazeuses pouvait former des particules secondaires, au-delà de celles émises directement par l’usure (Scientific Reports, 2024). Les composés organiques volatils émis et leur rôle dans la nucléation de particules ultrafines font l’objet d’un article dans ES&T Air, 2025.
Étudier les réactions à basse température
À l’Institut de physique de Rennes, mes travaux de thèse ont porté sur CRESUSOL, un instrument destiné à étudier les réactions entre espèces neutres et la formation d’agrégats dans des conditions d’intérêt pour l’astrochimie. Il associe un écoulement supersonique uniforme, produit par une tuyère de Laval, à une détection par photoionisation et spectrométrie de masse.
J’ai travaillé au développement de ce dispositif et au calcul des profils de tuyères qui fixent les conditions de l’écoulement. L’instrument a notamment permis d’observer la formation de dimères d’acide formique et de diacétylène à des températures inférieures à 100 K (Review of Scientific Instruments, 2021).
CRESUSOL et conception des tuyères de Laval
CRESUSOL utilise le rayonnement ultraviolet du vide d’un synchrotron pour photoioniser les espèces issues de l’écoulement. La détection en coïncidence photoélectrons-photoions, couplée à la mesure du temps de vol des ions, permet d’étudier les produits de réactions et d’agrégation à basse température.
J’ai développé un programme de calcul de profils de tuyères de Laval, publié avec sa méthode dans Physics of Fluids, 2022. Le calcul associe la méthode des caractéristiques et une correction de couche limite pour produire un écoulement uniforme en vitesse, température et densité. Le programme est accessible publiquement.
Distinguer décroissance chimique et chute de densité
Dans le prolongement de ces travaux, je mène une réévaluation critique des mesures cinétiques en écoulement supersonique uniforme (CRESU). Une diminution du signal d’un réactif ne suffit pas à démontrer sa consommation chimique : une chute de densité liée au mélange des gaz peut produire une décroissance attribuée à tort à la réaction. Ma réanalyse des données CRESU-SIS met en évidence ce problème et remet en cause les coefficients cinétiques qui en sont déduits (commentaire, 2023).
Observations, interprétation et portée
Dans les données CRESU-SIS analysées, le signal initial des ions diminue lorsque la concentration du réactif neutre augmente, alors qu’il devrait rester constant dans l’interprétation cinétique retenue. Une chute de densité de l’écoulement fournit une autre explication de cette observation et des décroissances mesurées.
La portée de cette critique dépasse CRESU-SIS : elle impose de vérifier l’état de l’écoulement lors du mélange avant d’attribuer les décroissances à la chimie. Cela ne revient pas à recalculer tous les coefficients publiés à partir d’une correction unique ; il faut examiner les conditions et les signaux de chaque expérience. J’ai développé cette réévaluation dans ma présentation à CPLT 2026.