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Synthèse de polymères d’azote par pression comme propergol du futur

Description

Contexte :

L’amélioration des systèmes de propulsion est nécessaire pour certains projets de missions spatiales.  D'un point de vue purement énergétique, la caractéristique qu'il faut améliorer est le rapport entre l'énergie relâchée au cours de la réaction sur la masse spécifique. Ce sujet de thèse, propose un concept en rupture technologique avec les systèmes actuels de propulsion. Les meilleures performances actuelles sont obtenues en utilisant la réactivité des mélanges O2/H2. Des composés qui conduiraient à de meilleures performances sont appelés dans la littérature High Energy Density Materials (HEDM). La grande majorité de la littérature sur les HEDM porte sur la synthèse de molécules comportant des chaines longues d’azote, <N5, N8 ou N10. 

 

Le paramètre pression  offre des possibilités radicalement nouvelles de synthétiser des matériaux HEDM. La pression permet de casser la liaison triple et l’arrangement compact des molécules permet aux atomes de se réarranger dans une structure polymérique en 3 dimensions. La liaison triple est transformée ainsi en 3 liaisons simples permettant de stocker une très grande quantité d’énergie. Le poly-N est ainsi le matériau HEDM ultime. L’azote polymère a été synthétisé en 2001, vers 100 GPa ( Nature Materials 3, 558 (2004)).  De nombreuses questions demeurent : comment ramener cette phase énergétique à pression ambiante, pour favoriser son utilisation ? Peut-on synthétiser l’azote polymère dans des conditions moins extrêmes de pression ? Y a-t-il d’autres formes plus exotiques d’azote polymère que celles observées jusqu’à présent ? 

Nos travaux récents avec l’observation d’un composé (N2)6Ne7 ( PRL 113, 025702 (2014)) ou montrant l’influence de l’hydrogène pour abaisser la pression de transformation de la triple liaison en simple liaison entre atomes N ( Soumis à Nature Communication) offrent des pistes prometteuses.

 

Objectif de la thèse :

Le but de la thèse sera de rechercher des matériaux HEDM en partant de mélanges N2/gaz rares ,  N2/H2 ou N2/O2.  De nouveaux composés stœchiométriques, dit de van der Waals, devraient être découverts qui offriront des topologies variées pour polymériser le sous réseaux d’azote. La synthèse de  ces composés sous forme de nano-cristaux, à l’aide d’une mise en pression dynamique, devrait favoriser leur stabilisation  à pression ambiante. L’interaction chimique avec H2 ou O2  servira de catalyseurs. L’utilisation d’une photochimie dans l’UV ou multi-photonique permettra aussi d’abaisser fortement les pressions de transformation.

Déroulement de la thèse :  Les expériences seront effectuées à l’aide d’ une presse à enclumes de diamant. La pression pourra alors être couplée à de hautes températures par chauffage laser. Des processus photochimiques seront aussi  testés pour passer les barrières d'activation. La caractérisation des matériaux obtenus sera faite par des mesures de spectroscopie Raman et d’absorption infra-rouge dans notre laboratoire ainsi que par des mesures de diffraction X devant les lignes de diffraction des synchrotrons de l'ESRF ou de SOLEIL.

Profil

Master 2 Chimie Physique

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : CEA/DPTA/SMPC
Directeur(rice) de thèse/recherche : Paul Loubeyre
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : Paul.loubeyre@cea.fr
Responsable Cnes de l'offre : LABARTHE Emilie

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement  du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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