Crédits Image : France SIMONET/IRCELYON/CNRS Photothèque
Thème 1 :
Synthèse, processus de nucléation et caractérisation des suies à la source
Un objet complexe dès sa formation
L’étape de nucléation, c’est-à-dire l’étape correspondant à la transformation des espèces gazeuses en particules de suie, est cruciale pour l’étude des suies puisqu’elle conditionne directement leurs propriétés optiques et physico-chimiques. Une fois les premiers noyaux formés, ceux-ci grossissent par réaction chimique de croissance de surface, par condensation d’espèces gazeuses, notamment d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), sur la surface des suies et par coagulation. Les particules primaires ainsi formées finissent par constituer des agglomérats « fractals ».
On conçoit donc que selon le mode de combustion et la nature des carburants (c’est-à-dire le mode de synthèse), les caractéristiques des suies diffèrent, tel que leur morphologie (forme des agrégats, taille des sphérules primaires, taux de recouvrement entre particules), leur nature cristalline ou amorphe, leur composition chimique, leur réactivité avec le milieu ou enfin leurs propriétés optiques. De plus, ces caractéristiques évoluent en fonction du temps de réaction dans les flammes. Leur détermination est néanmoins un enjeu crucial pour élucider finement les processus de formation, de croissance et d’oxydation des suies.
Deux objectifs majeurs émergent dans ce contexte : maîtriser la synthèse et la nucléation de particules de suie avec des propriétés ciblées et progresser dans le développement, le partage et la mise en œuvre de méthodes de caractérisation des suies. Dans ce cadre, le couplage de diagnostics nécessitant le rapprochement de laboratoires aux compétences complémentaires en métrologie des aérosols et en compréhension des mécanismes physico-chimiques de formation de ces particules, est une voie prometteuse.
Les suies de synthèse issues, par exemple, d’un générateur CAST, constituent des objets d’étude intéressants pour le développement des techniques de caractérisation de leurs propriétés car il produit des particules de suie aux propriétés bien particulières et de manière reproductible. Cependant il est important de garder à l’esprit que les suies ainsi produites ne sont pas complètement représentatives des suies réelles dont les propriétés résultent d’un historique réactionnel complexe reflétant l’ensemble du processus de formation.
Par ailleurs, la formation d’analogues de suies est connue depuis de nombreuses années dans les plasmas froids, les arcs électriques et l’ablation laser. De même que dans les procédés de combustion, le rôle des HAP est fréquemment rapporté, leur formation provenant de recombinaisons ions-neutres ou ions-ions. Le GDR a permis de mettre en place des interactions fructueuses entre les communautés « combustion » et « plasmas froids ». Celles-ci se sont de plus étendues à la problématique de la formation de résidus carbonés lors de décharges électriques violentes dans l’atmosphère ou encore lors de rentrées météoritiques.