Projet ANR-10-BLAN-0720 – DYQUMA : Études théoriques de la dynamique quantique de molécules adsorbées
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie :  Chimie moléculaire, organique, de coordination, catalyse et chimie biologique (Blanc SIMI 7)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Roberto MARQUARDT (UNIVERSITE DE STRASBOURG)
Partenaires : Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier; Laboratoire de Chimie; Institut de Chimie de Strasbourg; Laboratoire d'Informatique Gaspard-Monge
Montant : 479999.0 euros
Durée : 36 mois
Résumé : DYQUMA - Etudes théoriques de la dynamique quantique de molécules adsorbéesCe projet concerne l’étude théorique de la dynamique d’une molécule adsorbée sur un substrat cristallin métallique. La  compréhension reste phénoménologique: très peu d’études fondamentales concernant l’étude de la dynamique d’adsorption moléculaire à un niveau microscopique ont été réalisées. Certaines questions élémentaires demeurent encore sans réponse. 
ObjectifsUn des buts de ce projet est d’ouvrir de nouvelles perspectives dans cette thématique. Nous allons nous concentrer sur l’approche microscopique, quantitative et rigoureuse d’une certaine classe de systèmes importants.
MéthodesNous utilisons des méthodes existantes en chimie quantique et dynamique quantique et nous développons des nouvelles méthodes.
Résumé de la soumission : Ce projet concerne l’étude théorique de la dynamique d’une molécule adsorbée sur un substrat cristallin métallique. Depuis les travaux pionniers de Langmuir, nous savons que les processus d’adsorption jouent un rôle essentiel dans le cadre de la catalyse hétérogène et plus récemment le Prix Nobel de Chimie a été attribué à G. Ertl pour ses avancées expérimentales concernant, entre autres, la compréhension des étapes élémentaires de la synthèse de l’ammoniac sur le fer. Néanmoins, cette compréhension reste phénoménologique: très peu d’études fondamentales concernant l’étude de la dynamique d’adsorption moléculaire à un niveau microscopique ont été réalisées. Certaines questions élémentaires demeurent encore sans réponse. Par exemple: comment les atomes et molécules adsorbés bougent-ils le long du substrat?  Ce mouvement est il semi-classique ou entièrement quantique?  Comment ce mouvement affecte-t-il la cinétique des processus d’adsorption ou de désorption?  Des réponses pertinentes à ces questions pourraient permettre de mieux exploiter et guider ces processus catalytiques. Un des buts de ce projet est d’ouvrir de nouvelles perspectives dans cette thématique. Nous allons nous concentrer sur l’approche microscopique, quantitative et rigoureuse d’une certaine classe de systèmes importants. Les différents paramètres qui peuvent influer sur la physique du processus seront pris en compte de façon assez complète. Dans ce projet, la dynamique des atomes et molécules adsorbés sera traitée quantiquement. La compréhension des effets quantiques est fortement susceptible de déboucher sur des applications technologiques dans les domaines mentionnés ci-dessus.  Les difficultés théoriques sont multiples : tout d’abord nous devons obtenir des surfaces de potentiel précises, de préférence via des représentations analytiques globales, et ce pour des systèmes relativement larges et dans lesquels les forces de dispersion de London peuvent jouer un rôle important. Pour ce faire nous proposons le développment de nouvelles méthodes de structure électronique combinant les théories de la fonctionnelle de la densité et de la fonction d’onde. Il nous faut ensuite calculer la dynamique dans des espaces de multiples dimensions ; la difficulté majeure réside dans la densité d’états vibrationnels qui augmente rapidement en raison des basses énergies liés au mouvement frustré de translation parallèle au substrat bien comme der rotations frustrées des molécules adsorbées; puisque des calculs de premier principe des surfaces de potentiel sont extrèmement difficiles dans la où une molécule se trouve tout seule sur le substrat, la modélisation de la dynamique quantique représente un défi formidable. Finalement, afin d'étudier de façon réaliste la dynamique même d'une seule particule adsorbée il est nécessaire  de considérer en outre les couplages au quasi-continuum d'état électroniques du substrat, le couplage aux phonons de celui-ci et, potentiellement, d'autres couplages  non-adiabatiques aux états électroniques de l'adsorbat. Au cours de ce projet, nous allons nous lancer dans tous  ces défis.
Résultats : Le projet a débuté effectivement il y a 12 mois. Certains résultats sont en cours de publication.
Perspectives : Les perspectives de conclusion d'un bon nombre de tâches prévues dans le projet sont intactes.
Publications et brevets : Aucune pour l'instant.