Crédits Image : France SIMONET/IRCELYON/CNRS Photothèque
Thème 6 :
Approches théoriques
La suie étant un système complexe, sa modélisation s’appuie non seulement sur les développements théoriques les plus récents mais suscite également de nouvelles approches, tant dans le domaine de la chimie quantique que dans celui des simulations classiques.
Des approches théoriques sur tous les terrains
Les méthodes ab initio sont particulièrement bien adaptées à l’étude détaillée des mécanismes réactionnels et efficace pour l’étude de la recombinaison des premiers précurseurs de la suie (thème 1) comme pour la description précise des processus de réactivité sur les suies conduisant, par exemple, à l’adsorption sur les particules de suie et/ou à leur oxydation (thèmes 2 et 3). Toutefois, leur emploi est restreint à de petits systèmes composés de quelques dizaines d’atomes et à l’étude très localisée des phénomènes mettant en jeu la formation ou la cassure de liaisons chimiques. Pour étudier des systèmes de plus grande taille on utilise des méthodes semi-empiriques ou DFT incluant explicitement une contribution représentant les interactions de dispersion.
Ensuite, l’étude des processus d’adsorption non réactive sur les suies se base sur l’emploi d’une description classique des interactions moléculaires dans des codes de simulation numérique de type Monte Carlo et dynamique moléculaire. Ces méthodes apparaissent en effet idéales pour caractériser les phénomènes d’adsorption sur des particules carbonées de plusieurs nanomètres de diamètre (Fig.2).
On peut citer également le développement de modélisations méso-échelles dans lesquelles les détails de la structure atomique n’ont pas besoin d’être spécifiquement explicités et qui apparaissent particulièrement bien adaptées pour étudier les conglomérats de particules élémentaires de suie ainsi que leur évolution au cours du temps.
De même, les approches théoriques de type DDA (discrete dipole approximation) peuvent a priori permettre de calculer la réponse électromagnétique des suies en fonction de leurs caractéristiques atomiques (Fig.3).
L’objectif est aujourd’hui double : d’une part améliorer la description des particules primaires de suie en étant capable de prendre en compte dans les calculs des atomes autres que le carbone (en particulier les atomes d’oxygène omniprésents et, par exemple, le soufre caractéristique de certains carburants) et, d’autre part, utiliser des méthodes statistiques afin de tenir compte de la variété de morphologies et de la distribution de taille des grains dans les calculs de la réponse optique des agrégats de suie. Un couplage fort entre simulations et expériences est donc nécessaire pour s’assurer de la pertinence du paramétrage des modèles et déterminer les quantités physiques observables présentant la meilleure sensibilité aux différences de structure.
