Étude de la physicochimie des états métastables avec spectroscopie de haute précision et contrôle sans contact

Les aérosols sont de petites particules en suspension dans un gaz qui affectent notre santé et notre environnement de nombreuses manières. Ils sont omniprésents dans l’atmosphère terrestre et peuvent souvent exister dans un état métastable (sursaturés, en surfusion). Malgré leur prévalence, nos connaissances chimiques et physiques sur ces particules métastables présentent de nombreuses lacunes, car elles sont extrêmement difficiles à étudier avec des instruments de laboratoire classiques, puisque tout contact avec une surface provoquera un changement de phase (précipitation, gel). Le programme de recherche proposé a pour objectif de remédier un bon nombre de ces lacunes en matière de connaissances par la mise au point simultanée d’outils expérimentaux et théoriques, ce qui permettra d’étudier les particules d’aérosol pertinentes sur le plan atmosphérique dans des états hors équilibre. Les deux techniques expérimentales complémentaires qui seront utilisées sont le piégeage optique et la microfluidique. Ces deux méthodes permettent le confinement sans contact de particules individuelles avec des volumes allant de femto à nanolitres, permettant l’accès expérimental à des états métastables. De plus, en effectuant des mesures au niveau d’une particule unique à l’aide de méthodes spectroscopiques basées sur le laser, il est possible d’étudier les processus microphysiques et chimiques avec une grande précision et avec des incertitudes faibles sur une large gamme d’échelles de temps. Les paramètres essentiels à la science des aérosols, tels que l’hygroscopicité, la tension de surface, la viscosité, la diffusion et l’absorption de rayonnement électromagnétique, ainsi que le transfert de chaleur et de masse, peuvent être déterminés avec une très grande précision. Nous utiliserons ici le piégeage optique et la microfluidique pour étudier la physicochimie des gouttelettes sursaturées soumises à de multiples changements de phase, et étudier comment la rhéologie des particules vitreuses métastables affecte l’absorption et la perte d’eau, ainsi que le rôle que la tension de surface joue lors de l’activation des particules d’aérosol surfondues et qui se développent en gouttelettes de nuage. Ce travail expérimental sera combiné à des modèles thermodynamiques de pointe pouvant être utilisés pour prédire les phases d’aérosol et les transitions de phase dans les systèmes très complexes. Globalement, nous aborderons directement plusieurs des questions les plus importantes de la science des aérosols atmosphériques, tout en développant simultanément des plates-formes et des modèles technologiques de pointe qui aura un impact considérable, car ils peuvent être utilisés dans un large éventail de disciplines scientifiques.