Processus élémentaires de nucléation : un outil pour l'étude des transitions de phases dans les agrégats

Basic nucleation processes : a tool for studying phase transitions in clusters

• Auteur / Autrice : Fabien Chirot
• Direction : Pierre Labastie, Jean-Marc L'Hermite
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des agrégats
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sections efficaces (physique nucléaire)

Spectrométrie de masse

Clusters (chimie)

Transitions de phases

Nucléation

Nanostructures

Mots clés libres

Agrégat

Spectrométrie de masse

Collisions

Sections efficaces

Nanocalorimétrie

Thermodynamique

Résumé

Que peut-on apprendre en collant des atomes sur des agrégats ? ». Le travail présenté ici répond (partiellement) à cette question grâce à un dispositif expérimental original, qui permet de contrôler les réactions de collage entre un atome et un agrégat libre, sélectionné en masse et thermalisé. À l'aide de ce dispositif, nous pouvons mesurer des sections efficaces absolues pour ces réactions de collage. Nous montrons que, dans le cas d'agrégats de sodium, la section efficace mesurée suit une loi différente de celle prévue par le modèle géométrique généralement utilisé : le modèle de sphères dures. Nous expliquons en partie cette différence dans le cadre d'un modèle de harponnage et nous discutons l'influence de cette loi d'échelle non-géométrique sur la description des processus de nucléation et dans le cadre des théories microréversibles décrivant l'évaporation des agrégats. La maîtrise de réactions de collage ouvre d'autre part la possibilité de réaliser des expériences de nanocalorimétrie et donc de caractériser des transitions de phase dans les agrégats. Nous montrons en effet qu'il est possible de déterminer la capacité calorifique d'un agrégat en comptant simplement le nombre d'atomes que l'on peut coller dessus. La méthode de mesure qui en découle s'avère au moins aussi précise que les deux autres méthodes existantes. Dans le cas des agrégats de sodium, nous pouvons ainsi mesurer les températures et chaleurs latentes de fusion pour des agrégats aussi petits que Na30+. Les résultats obtenus sont discutés dans le cadre d'un modèle à deux niveaux pour la fusion.

What can be learned from sticking atoms onto clusters ?”. The present work answers (partly) this question. The original design of our experimental apparatus allows controlling the sticking collision of an atom onto a size selected thermalized free cluster. This makes measuring absolute sticking cross-sections possible. We show that, for sodium clusters, the measured sticking cross section's scaling law is not the one predicted by the widely used geometrical hard-sphere model. This behavior can be partly reproduced using a harpooning model for the sticking collisions. We discuss the influence of that non-geometrical scaling law for the cross section on the description of the nucleation processes, and in the frame of the microreversible theories of cluster evaporation. Another interesting application of controlled sticking collisions is nanocalorimetry. We show that caloric curves can be measured from the number of atoms that can be stuck onto a cluster. This new nanocalorimetry method allows studying phase transitions in clusters with an accuracy at least as good as the other existing methods'. We prove this by measuring melting temperatures and latent heats of fusion for sodium clusters as small as Na30+. Finally, we discuss these results in the frame of a 2-level model for melting.