Préambule

1Le laboratoire de chimie physique de Jean Perrin est une des principales racines de l’institut des sciences moléculaires d’Orsay. C’est en 1922 que l’université de Paris décida la construction de ce laboratoire pour Jean Perrin, dans le cinquième arrondissement de Paris. Cette construction se terminera en 1926, année où Jean Perrin reçut le prix Nobel de physique pour ses travaux sur la discontinuité de la matière. La figure 1 montre une sculpture de Jean Perrin et une photo d’Edmond Bauer, physicien d’une très vaste culture, ancien sous-directeur du laboratoire de physique expérimentale au Collège de France. En 1945, Edmond Bauer succéda à Jean Perrin à la direction du laboratoire de chimie physique. Sur le mur du fond de l’amphithéâtre de ce laboratoire est inscrite la première phrase du livre de Jean Perrin Les Atomes paru en 1913 (figure 2). Derrière l’estrade de cet amphithéâtre, chaque lundi, l’heure du thé qui suivait les séminaires organisés par Jean Perrin était l’occasion de discussions entre chercheurs et écrivains, comme André Gide, André Maurois et Paul Valéry, fidèles participants à ces séminaires.

Introduction

2L’institut des sciences moléculaires d’Orsay (ISMO) résulte de la fusion, en janvier 2010, de trois laboratoires : le laboratoire de photophysique moléculaire (LPPM), le laboratoire d’interaction du rayonnement X avec la matière (LIXAM) et le laboratoire des collisions atomiques et moléculaires (LCAM), tous trois issus successivement de l’essaimage du laboratoire de chimie physique de la Sorbonne dans les années soixante. Cet article évoque les premiers acteurs de ce cheminement et les concepts scientifiques fondateurs qu’ils ont établis. Il décrit en particulier comment la photophysique et la physique des collisions se sont mutuellement enrichies et ont bénéficié d’avancées scientifiques et techniques pour conduire aux trois grands pôles actuels de l’ISMO.

Liste des acronymes

ACO Anneau de collisions d’Orsay

ADN Acide désoxyribonucléique

AFM Atomic Force Microscope

CRDS Cavity Ring Down Spectroscopy

DIB Diffuse Interstellar Bands

DFT Density Functional Theory

ELYSE (contraction du « e » de « électrons » et du suffixe « lyse » signifiant « coupure »

eV electron Volt

GIFAD Grazing Incidence Fast Atom Diffraction

ISMO Institut des sciences moléculaires d’Orsay

LCAM Laboratoire des collisions atomiques et moléculaires

LIXAM Laboratoire d’interaction du rayonnement X avec la matière

LPCR Laboratoire de physico-chimie des rayonnements

LPPM Laboratoire de photophysique moléculaire

LSAI Laboratoire de spectroscopie atomique et ionique

PAH Polycyclic Aromatic Hydrocarbons

RPE  Résonance paramétrique électronique

SNOM Scanning Near field Optical Microscope

STM Scanning Tunneling Microscope

SOLEIL Source optimisée de lumière d’énergie intermédiaire de LURE (LURE : laboratoire pour l’utilisation du rayonnement électromagnétique)

SUPERACO Super anneau de collisions d’Orsay

UV Ultra-Violet

VUV Vacuum Ultra-Violet

2D 2 dimensions

Les années 1950 à 1970 : les pionniers

3Sydney Leach (figure 3), futur fondateur du LPPM (voir encadré B), quitte l’Angleterre dans les années d’après-guerre et arrive à Paris, rue Pierre Curie, au laboratoire de chimie physique. Docteur es-sciences en 1953 grâce à son travail de spectroscopie électronique effectué sous la direction d’Edmond Bauer, il part pour Berkeley en 1956, où George Pimentel commence à isoler des radicaux libres en matrice à basse température et à en étudier les spectres d’absorption infrarouge (IR) et ultraviolet (UV). On retrouve Sydney Leach à Orsay quelque temps plus tard. Une partie du laboratoire de chimie physique parisien est transférée, en 1960, à la faculté des sciences d’Orsay, sous la direction générale d’Yvette Cauchois. Un groupe se constitue sous l’appellation laboratoire de physico-chimie des rayonnements (LPCR) avec à sa tête Michel Magat, une personnalité dont le charisme a rassemblé une forte communauté (figure 4).

4Sydney Leach étudie la spectroscopie d’absorption et d’émission des états vibroniques du benzène et sa photochimie, en utilisant l’effet Shpolsk’ii qui, en limitant les interactions de la molécule hôte avec la matrice formée par un solvant organique refroidi, conduit à une simplification des spectres. Ce travail sur le benzène se poursuit par l’analyse de sa fluorescence et de sa phosphorescence en matrice et celle de l’émission des radicaux benzyliques. Viennent ensuite l’obtention et l’interprétation des spectres électroniques d’ions moléculaires. Les bases d’une nouvelle discipline que Sydney Leach baptise « photophysique moléculaire » sont posées. Elle associe la lumière comme sonde (la spectroscopie) et comme outil de transformation de la matière (la photochimie), avec une approche à l’échelle moléculaire. Puis les travaux sur la pyrolyse laser (auxquels Pierre Jaeglé s’associe à partir de 1964) qui analysent les effets de l’impact d’une impulsion de laser à rubis sur une cible solide conduiront à la découverte d’une inversion de population dans un atome du plasma formé et, par la suite, au premier laser à rayons X. Sur cette base, le laboratoire de spectroscopie atomique et ionique (LSAI) est fondé par Pierre Jaeglé en 1978. Il sera ensuite dirigé par François Wuilleumier, puis deviendra le LIXAM (voir encadré B). Enfin, une importante activité théorique en chimie quantique se développe à partir du centre de mécanique ondulatoire appliquée, dont sont issus Roland Lefebvre et Hélène Lefebvre-Brion, qui vont jouer un rôle essentiel au LPPM.

5En 1967, le LPPM est créé sans murs par le CNRS : il réunit quatre équipes, guidée chacune par l’un des « 4 L » (Leach, Lefebvre, Legay, Lindqvist), qui resteront pendant de nombreuses années des figures marquantes de ce laboratoire. L’équipe « Leach » s’engage dans des approches expérimentales originales pour l’obtention des spectres électroniques de molécules, d’ions et de radicaux organiques, ainsi que leur interprétation théorique. L’équipe « Lefebvre », purement théoricienne, explore, dans le contexte du développement des lasers, les effets que la cohérence de la lumière peut transmettre à la matière. L’équipe « Legay », spécialiste de la spectroscopie infrarouge et des processus de relaxation vibrationnelle, et pionnière dans la réalisation des premiers lasers moléculaires de puissance dans le domaine infrarouge, s’engage dans les études de molécules isolées en matrices de gaz rares à très basse température. L’équipe « Lindqvist » enfin, développe la photolyse laser nanoseconde et étudie les interactions entre l’hème et le dioxygène ou le monoxyde de carbone. Le LPPM obtient le statut de laboratoire propre du CNRS sur proposition de Robert Chabbal, alors directeur scientifique, avec l’intention de construire un laboratoire de 3500 m² ; ce projet ne sera malheureusement pas réalisé. Répartie d’abord sur plusieurs bâtiments, la totalité de l’effectif du LPPM finit par être rassemblée dans un même lieu, à la faveur du transfert progressif du laboratoire de physique des solides vers le « petit » plateau d’Orsay. L’année 1973 est celle de l’arrivée au LPPM d’une photochimiste, autre ancienne élève de Michel Magat : Françoise Lahmani. Elle y trouve un interlocuteur enthousiaste, curieux et créatif : André Tramer, spécialiste des transitions non radiatives, qui a rejoint le LPPM en 1969. Avec Benoît Soep, ils utilisent un jet supersonique dont le prototype fut développé au CEA Saclay par Roger Campargue en 1964 sur une suggestion de Sydney Leach pour des études de spectroscopie et de dynamique réactionnelle.

6En 1977 Lionel Salem, alors chargé de mission au Ministère, obtient la création d’un bâtiment destiné à réunir trois groupes s’intéressant à la physique des collisions. L’équipe de Florence Fiquet-Fayard, qui étudie les collisions électron-molécule, a montré l’importance de l’effet Auger dans les processus d’ionisation multiple et étudié l’attachement électronique dissociatif. Celle de Jean Durup, spécialiste des collisions ion-molécule et de la photodissociation, développe, quant à elle, des applications aux collisions dissociatives et à la réactivité des ions. Toutes deux issues du laboratoire de chimie physique, elles vont rejoindre l’équipe de Michel Barat, hébergée à l’institut d’électronique fondamentale, qui est spécialisée dans l’étude des excitations électroniques induites par collisions atomiques à basse vitesse entre atomes neutres ou entre particules chargées et espèces neutres. Ainsi se crée le LCAM (voir encadré B) qui s’installe dans un bâtiment neuf au voisinage immédiat du LPCR.

Années	LPPM	LSAI-LIXAM	LCAM	ISMO
1967	Sydney Leach
1975		Pierre Jaeglé (GR SAI)
1978			Michel Barat*
1979		Pierre Jaeglé
1984	Roland Lefebvre
1987		François Wuilleumier
1989	Michel Gaillard
1990			Jean-Pierre Gauyacq
1997	Jean-Marie Flaud
1998			Victor Sidis
1999		Alain Huetz
2001	Philippe Bréchignac
2002		LIXAM
2010				Philippe Bréchignac
2013				Bernard Bourguignon

Encadré B : liste des directeurs des unités de recherche des quatre principaux laboratoires évoqués dans cet article, classés par dates de prise de fonctions

* Florence Fiquet-Fayard, directrice du laboratoire des collisions électroniques, Jean Durup, directeur du laboratoire des collisions ioniques, et Michel Barat, directeur du groupe de recherche sur les collisions atomiques, décident en 1977 de fusionner leurs laboratoires respectifs pour donner naissance au laboratoire des collisions atomiques et moléculaires (LCAM) dont Michel Barat prend la direction en 1978

Les années 1967 à 2010 : les grandes évolutions et les ruptures

1. Évolution du domaine de recherche initial

7Une activité importante de spectroscopie moléculaire se développe au LPPM, avec l’élaboration de modèles décrivant les effets de couplage entre coordonnées électroniques et nucléaires, le rôle des collisions sur le profil des raies, la spectroscopie à transformée de Fourier à très haute résolution. Ces travaux trouvent des prolongements dans la chimie de l’atmosphère et l’astrophysique. Les techniques de spectroscopie s’enrichiront de méthodes très sensibles comme la Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS) ou reposant sur la polarisation de la lumière.

8L’étude des ions moléculaires repose sur le développement, dès les années soixante-dix, de techniques de coïncidence entre les électrons, ions et photons issus des processus d’excitation, d’ionisation et de fragmentation provoqués par des lampes à hélium puis par le rayonnement synchrotron. Après le travail pionnier de la thèse de Michel Dévoret, un savoir-faire exceptionnel concernant ces techniques se développe, tant au LPPM qu’au LCAM et au LSAI-LIXAM.

9La création du LPPM a coïncidé avec l’essor des études sur les transitions non radiatives, avec en 1969 l’organisation par Sydney Leach de la première conférence internationale sur le sujet et l’arrivée d’André Tramer. L’énergie d’une molécule excitée se redistribue très rapidement entre ses états électroniques, vibrationnels et rotationnels, conditionnant les différentes voies d’ionisation et de fragmentation ; l’énergie se dissipe également dans le milieu environnant. Une idée directrice à cette époque est de comprendre ces transitions non-radiatives. Pour cela il est essentiel d’isoler les systèmes étudiés pour distinguer les processus intra et intermoléculaires et de les exciter par photon pour préparer un état initial bien défini.

10Les méthodes d’isolation des molécules progressent rapidement. Les matrices organiques de Shpolsk’ii cèdent la place aux matrices cryogéniques de gaz rares pour isoler des systèmes très réactifs dans un environnement inerte. Si l’isolement des radicaux en matrice a eu pour but premier l’étude de leur structure électronique, c’est aussi lors de ces expériences que naît l’idée d’utiliser les propriétés spectroscopiques de la molécule piégée comme sonde de l’environnement. Les travaux en matrice s’étendent à des systèmes aromatiques complexes, et des systèmes réactifs impliquant des métaux.

11Enfin les jets supersoniques permettent d’obtenir des densités élevées en phase gazeuse et de préparer les molécules dans un nombre limité d’états quantiques caractérisés par des températures de l’ordre du Kelvin. Le faible nombre d’états initiaux de vibration-rotation simplifie alors considérablement les spectres moléculaires et leur analyse. Le refroidissement dans le jet provoque aussi la condensation partielle des molécules en agrégats, dont la taille peut être exactement contrôlée. Ces édifices ouvrent la voie à l’étude de la matière « de l’atome au solide ». Les complexes faiblement liés constituent des systèmes réactifs préparés dans une géométrie spécifique, permettant de réaliser et d’étudier les « demi-collisions ». Sont étudiés alors des effets orbitalaires dans la réactivité ou la photodissocation, et des effets de cohérence vibrationnelle liée aux oscillations du système dans un puits de potentiel avant sa dissociation. D’abord consacrée aux petits systèmes, la technique des jets supersoniques s’étend aux molécules complexes, avec des thématiques proches de la chimie : le transfert d’énergie électronique, d’électron, ou de proton, la micro-solvatation par ajout d’un nombre contrôlé de molécules de solvant sur un chromophore.

12Les théoriciens développent des sujets et méthodes propres : méthodes de paquets d’onde, traitement cohérent de l’interaction molécule-photon, donnant accès au contrôle cohérent, aux effets de champs forts, à l’échange de charges au voisinage des surfaces, à la réactivité et la dynamique des atomes et molécules très excités, notamment en champ laser ultra-bref et ultra-intense, à la plasmonique et à d’autres effets de nanophysique tels que le confinement de charge ou de spin …

2. Évolution des concepts et de l’instrumentation

13La motivation scientifique initiale décrite ci-dessus a sous-tendu le domaine pendant quelques dizaines d’années. Les spectroscopies moléculaires ou l’analyse de l’effet des collisions s’étendent des petites molécules polyatomiques à des molécules complexes. Les gammes spectrales et temporelles s’élargissent considérablement. De nouveaux objets d’étude apparaissent, en particulier des milieux hétérogènes comme les surfaces, les milieux biologiques, les très petites particules et nanoobjets. Que cette progression ait nécessité une trentaine d’années doit être mis en relation avec l’extrême complexité des systèmes, qui sont des objets quantiques multi-corps et à très forte corrélation quantique, dont les niveaux d’énergie électronique, même pour des molécules diatomiques, ne sont encore calculables qu’avec une précision de plusieurs dixièmes d’électron Volt (eV) dans les années quatre-vingt (à comparer avec une précision expérimentale atteignant le millionième d’eV à la même époque).

14Sur la durée, les progrès de la discipline se révèlent fortement corrélés avec les progrès instrumentaux considérables des sources de photons (lasers et synchrotron), des détecteurs de photons ou de particules, des sources de molécules et de complexes moléculaires (jets supersoniques et autres milieux froids, désorption laser, sources « electrospray », pièges à ions), sans lesquels la discipline n’aurait pu évoluer. Le développement considérable des performances des ordinateurs a transformé le pilotage des expériences, la collecte et l’interprétation des données. On est passé d’une programmation en langage machine au début des années quatre-vingt, qui ne permettait de collecter qu’un nombre limité de données, à une programmation symbolique avec des logiciels commerciaux capables de faire des calculs en temps réel en cours d’acquisition de données, dont un exemple d’application est la tomographie des orbitales moléculaires, visualisables à la fois spatialement, temporellement et spectralement.

15Les performances accrues des ordinateurs ont aussi permis aux théoriciens de développer des approches nouvelles : la chimie quantique atteint un niveau de précision qui trouve de nombreuses applications à l’ISMO. Elle permet désormais de prédire la signature spectrale de molécules complexes, de distinguer entre leurs différents isomères, de comprendre la nature intime des interactions moléculaires, d’identifier les processus électroniques ou réactifs dans des molécules de grande taille, sur des surfaces, dans des édifices nanométriques. Un évènement marquant est la large diffusion de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), réduisant considérablement les temps de calcul, au sein de programmes facilement accessibles, ce qui étend fortement la gamme des systèmes calculables (molécules de grande taille, milieux hétérogènes) et fournit, aux théoriciens comme aux expérimentateurs, un outil spectroscopique prédictif. Les capacités de mémoire et leur rapidité d’accès permettent également de réaliser des simulations dynamiques sur des temps de plus en plus longs et des systèmes moléculaires de plus en plus gros et complexes.

16Dès les années soixante-dix, les lasers permettent d’obtenir une résolution spectrale extrêmement élevée et la préparation d’un état quantique bien défini, révolutionnant la spectroscopie moléculaire. La résolution temporelle, nanoseconde (ns), puis picoseconde accessible dans les années quatre-vingt, permet des études dynamiques par des expériences pompe-sonde. La découverte du laser Titane :Saphir dans les années quatre-vingt-dix en étend l’accès au domaine femtoseconde (fs) avec une stabilité et une cadence considérablement accrues. La réduction de la durée des impulsions à quelques femto-secondes, puis la génération d’impulsions atto-secondes, conduisent à une nouvelle physique dominée par la dynamique électronique et non plus seulement nucléaire. Les oscillateurs et amplificateurs paramétriques optiques facilitent désormais les approches expérimentales par leur grande accordabilité spectrale, à des échelles temporelles allant de la ns à la fs.

17Le rayonnement synchrotron émis par des paquets d’électrons ou de positrons relativistes circulant dans des anneaux de stockage n’est, au début des années soixante-dix, qu’un phénomène marginal sans intérêt pour la communauté de physique des hautes énergies. Il faut donc la convaincre d’ouvrir ses machines à la physique atomique et moléculaire. Sydney Leach et Ricardo Lopez-Delgado au LPPM, Pierre Jaeglé au LIXAM, et Paul-Marie Guyon au LCAM jouent un rôle majeur pour obtenir l’ouverture d’une ligne de lumière sur l’anneau de collisions d’Orsay (ACO), évènement dont les répercussions à l’échelle internationale sont aujourd’hui considérables. Devant le succès des premières expériences de physique moléculaire, un second anneau (super anneau de collisions d’Orsay ou SUPERACO), est spécifiquement conçu dans les années quatre-vingt pour les applications de physique atomique et moléculaire, de biologie (Roger Fourme) et de physique du solide (Yves Farge, Yves Petroff). Le financement du projet SUPERACO fera l’objet d’une forte mobilisation de la communauté scientifique, comme le fera celui du projet SOLEIL « Source optimisée de lumière d’énergie intermédiaire de LURE » (LURE : laboratoire pour l’utilisation du rayonnement électromagnétique), construit sur le plateau du Moulon dans les années 2000. Le rayonnement synchrotron, en offrant une gamme spectrale continue beaucoup plus étendue que les lasers, en particulier dans l’UV du vide (VUV) ou les rayons X, donne accès à la spectroscopie et dynamique des états électroniques très excités et à la photoionisation, et son taux de répétition très élevé permet le développement des techniques de détection en coïncidence.

18Un point-clé pour le développement de la physique moléculaire est l’association d’une détection par spectrométrie de masse à l’excitation par photon ou par collisions. Le développement de détecteurs sensibles en temps et en position permet, outre la sélection en masse des parents ou des photofragments, la mesure des distributions angulaires et de l’énergie cinétique des fragments. En photophysique, les expériences de coïncidence entre photon et différents photoproduits (électrons, fragments ioniques, puis neutres) fournissent une description très complète des évènements.

19Les méthodes spectroscopiques résolues en masse deviennent également capables de distinguer les conformères grâce à des méthodes de double résonance UV-UV ou IR-UV ; elles sont appliquées à la caractérisation de biomolécules comme des sucres, des peptides, des alcaloïdes pour comprendre les phénomènes de reconnaissance moléculaire et à des molécules d’intérêt astrophysique. Les méthodes issues des expériences de collisions moléculaires sont appliquées à l’étude de la photostabilité de biomolécules. Enfin le développement de pièges à ions cryogéniques, éventuellement couplés aux méthodes précédentes, ouvre de nouvelles perspectives, telle que la compréhension de la réactivité de biomolécules complexes en reliant les voies de fragmentation observées à la géométrie du système.

3. Ouverture vers d’autres domaines : physique des surfaces, astrophysique et interface physique-biologie

3.1. Physique des surfaces, nanophysique et plasmonique

20Dans la plupart des milieux hétérogènes, atmosphères, milieu interstellaire, milieux réactifs…, les molécules s’adsorbent sur les particules présentes (glaces et aérosols atmosphériques, grains du milieu interstellaire, particules catalytiques…). L’ouverture vers la physique des surfaces est donc une évolution naturelle de la physique moléculaire. Elle débute dans les années quatre-vingt, tant au LPPM qu’au LCAM, à l’interface de deux communautés bien établies de physique moléculaire en phase diluée et de physique de la matière condensée, dont elle fait fusionner les concepts de façon fructueuse. Elle bénéficie des progrès considérables des techniques de préparation et de caractérisation de surfaces propres et bien « reconstruites » réalisés entre 1960 et 1980. La communauté de physique moléculaire apporte de nouvelles problématiques s’articulant autour de la dynamique des états excités d’atomes et de molécules adsorbés sur des surfaces bien caractérisées, préparés par excitation laser nanoseconde, puis femtoseconde, par rayonnement synchrotron ou par collisions ioniques ou électroniques. Dans le cas particulier de la technique « GIFAD » (Grazing Incidence Fast Atom Diffraction) des atomes d’hélium rapides sondent l’état de la surface.

21L’invention des microscopies à sondes locales - Scanning tunneling Microscope (STM), Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Near field Optical Microscope (SNOM) - en 1982 bouleverse la manière d’aborder la discipline en offrant la possibilité d’imager directement les densités électroniques, puis, à partir de 1990, de manipuler des atomes et des molécules individuellement. Grâce à la résolution atomique, l’intérêt se déplace des surfaces « parfaites » aux surfaces nanostructurées et aux nanostructures déposées sur des surfaces. Les microscopies à sonde locale ouvrent de nouveaux défis théoriques autour des effets non linéaires engendrés par les champs considérables au voisinage des pointes. Dans cette aventure des nanosciences, la chimie physique joue un rôle important : les molécules s’auto-assemblent, fonctionnalisent les surfaces, provoquant des modifications de leurs propriétés chimiques, électroniques, magnétiques et optiques. La dynamique moléculaire peut maintenant être déclenchée de manière contrôlée à une échelle spatiale sub-nanométrique et des nanosources de photons sont conçues. Les techniques spectroscopiques, incluant les techniques laser pompe-sonde et de somme de fréquences, et les spectroscopies vibrationnelles reposant sur les électrons, trouvent leur place à côté des techniques de sciences des surfaces. Elles permettent de mesurer les temps caractéristiques associés aux couplages entre les électrons de la surface et les molécules adsorbées, de déterminer la conformation et l’orientation moléculaire, de comprendre les aspects fondamentaux du transfert de charge en lien avec l’électronique moléculaire ou la plasmonique, et désormais d’aborder l’interaction des surfaces avec des entités biologiques.

22Sur le plan théorique, les nanosciences offrent un champ de recherche complètement neuf, où les avancées sont considérables. Des questions très diverses y sont abordées au niveau moléculaire : l’interaction gaz-surface à la frontière de la catalyse, la modélisation du champ électromagnétique au voisinage de nano-objets, impliquant nano-plasmonique et électronique moléculaire, la rotation frustrée de molécules ou la stabilité de petites chaînes de spin sous l’influence du courant tunnel.

3.2. Biophysique, biophotonique

23Ces thématiques engagées dès les années soixante-dix, aussi bien au LPPM (dynamique de l’hémoglobine) qu’au LCAM (dommages produits par irradiation de l’acide désoxyribonucléique (ADN)) se développent très fortement dans les années 2000. Au cours de cette période, elles bénéficient des progrès de l’optique (microscopie biphotonique confocale permettant de limiter le volume d’interaction et de s’affranchir de la lumière parasite ; détection de molécule unique en microscopie optique ; dépassement de la limite imposée par la diffraction…), des avancées de la chimie (fabrication de nanoparticules ad-hoc), et, enfin, des méthodes physiques d’analyse de la physique moléculaire et des surfaces déjà présentes dans les laboratoires (AFM, spectroscopie non-linéaire par somme de fréquences…). Aujourd’hui, la physique pour la biologie est devenue l’un des trois pôles de l’ISMO, en interaction forte avec la médecine. La molécule n’est plus le seul niveau d’organisation étudié, les études s’étendent à la cellule, aux tissus, aux bactéries. Un continuum physique - chimie - biologie - médecine s’est constitué dans lequel la séparation entre recherche fondamentale et appliquée a pratiquement disparu, notamment dans le domaine de la détection optique précoce de pathologies ou l’utilisation de nanoparticules en hadronthérapie et pour le transport de médicaments.

3.3 Propriétés insoupçonnées de la matière carbonée

24La fertilisation croisée entre disciplines, à savoir l’astrophysique, la spectroscopie moléculaire et la physique des matériaux, a joué un grand rôle dans la récente découverte de formes jusque-là insoupçonnées de la matière carbonée. En effet, les recherches dans ce domaine sont directement stimulées par l’existence de « signatures » spectroscopiques en provenance du milieu interstellaire, dont l’interprétation physico-chimique est énigmatique. Historiquement, le premier jeu de ces « signatures » est celui des bandes diffuses interstellaires (connues depuis 1936 sous l’acronyme anglais DIB’s). Ces très nombreux (environ 200) motifs spectraux dans le domaine visible, qui sont observés en absorption devant les étoiles, ont résisté jusqu’à ce jour à toutes les tentatives d’identification, à l’exception de cinq bandes très récemment attribuées au cation fullerène C₆₀⁺. La deuxième catégorie de signatures spectrales est celle des courbes d’extinction visuelle de la lumière ultraviolette émise par les étoiles, attribuée à la diffusion par une population de petits grains silicatés ou carbonés, présente dans les nuages interstellaires situés sur la ligne de visée. Enfin un troisième jeu de signatures est constitué par un ensemble de bandes d’émission, observées dans l’infrarouge moyen (entre 3,3 et 12 microns de longueur d’onde), en provenance de nébuleuses chauffées par le rayonnement ultraviolet des étoiles, dites « par réflexion ». L’hypothèse la plus explorée pour en rendre compte repose sur la présence de grosses molécules aromatiques polycycliques (PAH).

25L’étude de cette matière carbonée en relation avec l’astrophysique a été à l’origine de la découverte fortuite du fullerène C₆₀ en 1985 par Kroto, Heath, O’Brien, Curl et Smalley, qui a eu un impact considérable dans différentes disciplines. Elle reste très active en raison de la diversité des conditions, extrêmes et complexes, dans lesquelles la matière évolue. Plus de 180 molécules variées ont été identifiées dans le milieu interstellaire. Des approches multiples sont nécessaires, confrontant observations et données de laboratoire, dans lesquelles l’ISMO intervient activement : spectroscopie et dynamique moléculaire, réactions des molécules dans l’environnement interstellaire (rayonnement UV et VUV des étoiles, rayonnement cosmique, électrons libres), mécanismes de formation et d’évolution des poussières, processus à l’interface gaz-solide (formation et mobilité moléculaire en surface des grains, désorption induite par les rayonnements), modélisation globale du milieu interstellaire.

26Le LPPM, puis l’ISMO, contribuent aux recherches sur les diverses formes de carbone, avec une approche multi-échelle qui s’étend de la molécule isolée à l’objet macroscopique. L’aspect moléculaire fait intervenir la spectroscopie de PAH neutres, cationiques, ou protonés en phase gazeuse, celle des états de Rydberg de molécules d’intérêt astrophysique, ainsi que la synthèse de chaînes cyanopolyynes en matrice, dans le but d’expliquer les mécanismes de formation de ces chaînes linéaires HC_nN observées dès 1976 dans les nuages interstellaires denses. La dissociation d’agrégats de carbone éventuellement hydrogénés est notamment étudiée à l’ISMO dans des expériences de collisions à grande vitesse, dont les résultats contribuent à enrichir les bases de données d’astrochimie. Ces études s’étendent également à la caractérisation de suies formées en laboratoire dans une flamme laminaire d’hydrocarbure pré-mélangé à l’oxygène, en tant qu’analogues de poussières interstellaires.

27De nombreux travaux fondamentaux de spectroscopie et de photophysique portant sur les fullerènes (C₆₀, C₇₀ et dérivés) en solution sont menés par Sydney Leach et ses collaborateurs dès 1991 grâce à un don de quelques milligrammes de matériau par H.W. Kroto et son équipe de l’University of Sussex, tout particulièrement R. Taylor, avant que ces molécules ne soient commercialisées. Dès 2009, les chercheurs de l’ISMO s’impliquent fortement dans l’étude du graphène, apparenté aux fullerènes, puis de son homologue de silicium, le silicène. Ce plan d’hexagones de carbone, dont le premier feuillet est produit en 2004, présente des applications potentielles importantes en microélectronique et ouvre la voie à une nouvelle révolution en nanotechnologie. En effet le graphène peut être dopé, il se prête au transport balistique en deux dimensions, et il peut être facilement réalisé et « transféré » sur différents substrats. L’ISMO contribue à ces études tout à la fois sur le plan théorique et expérimental, par le développement de nouvelles méthodes de fabrication de ces feuillets à deux dimensions (2D), par l’étude des mécanismes réactifs à la surface du graphène, et par celle du transport électronique dans le graphène, y compris en présence de molécules adsorbées.

Encadré C : Les thématiques scientifiques de l’ISMO évoquées dans ce texte ont fait l’objet, de par le monde, de plusieurs prix Nobel décernés à des chimistes et des physiciens, dont certains ont entretenu des relations très étroites avec les chercheurs du LPPM, du LCAM et du LIXAM

CONCLUSION : des LPPM, LCAM et LIXAM à l’ISMO 

28Un long chemin a été parcouru depuis un demi-siècle. L’intérêt des thématiques étudiées est reconnu par les prix Nobel qui les ont récompensées (encadré C). Près de cinquante ans après la création des laboratoires LCAM, LSAI-LIXAM, et LPPM, beaucoup de choses ont changé : recul de l’emploi scientifique permanent, passage d’un financement principalement récurrent des laboratoires jusqu’à la fin des années soixante-dix à un financement mixte passant largement par des appels d’offre ; exigence d’une « excellence » subjective à partir des années 2000. Si la société et le monde politique semblent avoir pris conscience du rôle de la formation par la recherche pour l’innovation industrielle, ils revendiquent en retour d’orienter les financements vers des « besoins sociétaux », ce qui pose le problème de la continuité de l’effort de recherche fondamentale.

29L’activité des laboratoires est de plus en plus contrôlée, voire écartelée, aussi bien par les tutelles que par les agences de financement, qui formatent fortement l’organisation des projets et la structuration de la communauté en privilégiant les projets inter-laboratoires. Université et CNRS regroupent leurs unités de recherche en entités de plus en plus importantes (conséquentes). C’est sur ces éléments contradictoires que les essaims issus du laboratoire de Michel Magat se sont regroupés à nouveau au sein de deux gros laboratoires : le laboratoire de chimie physique, et l’ISMO qui fait l’objet de cet article. Ce dernier bénéficiera en 2017 d’une unité géographique grâce à la construction, sur le plateau du Moulon à Orsay, d’un bâtiment de 10 000 m² spécifiquement conçu pour abriter ses multiples activités, fondamentales et appliquées (figure 6).

30L’avènement des sources lasers et du rayonnement synchrotron ; les moyens de détection ultra-sensibles de photons et de particules ; la production et l’isolation d’espèces instables ; les progrès de la chimie quantique sans oublier des découvertes comme les nouvelles formes de la matière carbonée ; le développement des méthodes de fabrication des nano-objets, des inventions enfin comme le microscope à effet tunnel et la microscopie super-résolue, ont considérablement influencé les évolutions qui ont conduit à la création de l’ISMO. C’est ainsi que la compréhension de la dynamique des états électroniques et vibrationnels excités a ouvert la voie à l’étude du contrôle cohérent de la dynamique moléculaire et que la redistribution de l’énergie vibrationnelle a conduit à la spectroscopie infrarouge par dissociation multiphotonique. La photochimie a évolué vers la compréhension des processus moléculaires multi-échelle dans les systèmes biologiques, la physicochimie des surfaces a bénéficié de la fertilisation croisée des approches photophysiques, de physique des collisions et des nanosciences… L’utilisation de la spectroscopie de la molécule hôte comme sonde de l’environnement s’est étendue à des sujets comme la micro solvatation ou la reconnaissance moléculaire, utilisant non seulement la spectroscopie électronique mais aussi la spectroscopie vibrationnelle, linéaire d’abord, puis non linéaire.

31Les défis scientifiques auxquels est confronté l’ISMO aujourd’hui conjuguent concepts fondamentaux et applications. Il s’agit de transférer des savoir-faire fondamentaux de photophysique vers des systèmes réels qui trouvent des applications : en biologie (capteurs et vectorisation), dans l’environnement ou les énergies renouvelables (photosynthèse artificielle), ou encore en médecine, de réaliser des sources de rayonnement toujours plus performantes tels que les peignes de fréquences et les lasers VUV, de concevoir des « connexions optiques » sur une surface (plasmonique) et des constructions « hybrides » à l’échelle nanométrique pour en façonner les propriétés chimiques, électroniques et optiques. L’héritage scientifique du LPPM, du LCAM et du LIXAM confère à l’ISMO une place originale pour aborder les grands défis scientifiques des nanosciences, de la médecine, de la réactivité chimique et de l’astrophysique. Un des points forts de cet héritage est certainement la pluridisciplinarité entre la physique, la chimie et la biologie, qu’il conviendra de cultiver toujours plus.