AGRÉGATS, physico-chimie

Agrégats atomiques et moléculaires

En laboratoire, les agrégats sont produits de diverses manières : condensation d'un gaz par détente, impact d'ions ou d'un faisceau laser sur une surface, évaporation thermique. Ensuite, ils peuvent être déposés sur un support, mais le plus souvent ils sont entraînés par un flux gazeux (ou accélérés, s'ils sont chargés) et dirigés vers une enceinte où on les étudie « en vol ». Parmi les nombreuses méthodes physiques utilisées, la spectrométrie de masse est la plus importante. Elle permet en effet de classer les agrégats selon le nombre N d'atomes ou de molécules qu'ils contiennent. Ainsi, les spectres de masses, pour certaines valeurs de N appelées « nombres magiques », font apparaître que les agrégats sont plus abondants et donc particulièrement stables. Cette information est utilisée pour la détermination de leur structure.

Or ionisé

Dessin

Spectre de masse d'agrégats d'or ionisés. On remarque la forme en dent de scie du spectre, surtout visible aux petites valeurs de N et qui est due à l'alternance de parité. On note aussi les deux sauts en N = 33 et N = 55 indiquant la variation rapide de la stabilité des agrégats dans ces... 

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Structure atomique

Si N est petit (inférieur à 10), la recherche des structures stables utilise les méthodes de calcul de la chimie quantique. On trouve souvent des configurations linéaires ou planes tant que N est inférieur ou égal à 4 et polytétraédriques au-delà.

Pour de plus grandes valeurs de N, le seul cas bien connu est celui où les forces interatomiques sont centrales et additives : c'est le cas des liaisons de Van der Waals entre molécules sphériques telles que le méthane, l'azote ou les gaz rares. En grossissant, les agrégats de ces molécules subissent par deux fois un bouleversement complet d'ordre local : jusqu'à N = 50, ils possèdent une structure amorphe constituée d'icosaèdres – polyèdres réguliers présentant 20 faces équilatérales identiques – qui s'interpénètrent ; ils adoptent ensuite la structure de l'icosaèdre à couches multiples et, enfin, lorsque N est supérieur à 1 000, ils rejoignent la structure cristalline du solide massif. Ces structures sont remarquablement symétriques et possèdent des axes d'ordre 5 (symétrie inexistante dans l'ordre cristallin). Elles ont aussi été observées dans les agrégat [...]

Icosaèdre

Dessin

L'icosaèdre d'une couche comporte 13 atomes dont l'un se trouve au centre et les 12 autres sur chaque sommet. De tels icosaèdres peuvent s'interpénétrer, l'atome placé au centre de l'un étant en même temps sur l'un des sommets de l'autre. Un modèle d'agrégat présentant cette structure est... 

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Structure icosaédrique multicouches

Dessin

Dans la structure icosaédrique multicouche, les couches s'emboîtent les unes dans les autres à la manière des poupées russes. Le dessin montre la position des atomes de la troisième couche. La symétrie d'ordre 5 est visible autour de chaque sommet (A. L. Mackay, Grande-Bretagne). 

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Structure icosaédrique multicouches
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Configuration amorphe de molécules H2O
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