Time resolved infrared spectroscopy of femtosecond proton dynamics in the liquid phase.
Spectroscopie infrarouge résolue en temps pour l'étude de la dynamique femtoseconde du proton en phase liquide.
Résumé
This work of thesis aims to understand the strong mobility of protons in water. Water is fundamental to life and mediates many chemical and biological processes. However this liquid is poorly understood at the molecular level. The richness of interdisciplinary sciences allows us to study the properties which make it so unique. The technique used for this study was the femtosecond time resolved vibrational spectroscopy. Several experiments were carried out to characterize the femtosecond proton dynamics oin water. The visualization of the rotation of water molecules obtained by anisotropy measurements will be presented. This experiment is carried out in isotopic water HDO/D2O for reasons of experimental and theoretical suitability. However this is not water. Pure water H2O was also studied without thermal effects across librations modes. An intermolecular energy resonant transfer was observed. Finally the localized structure of the proton in water (called Eigen form) was clearly experimentally observed. This molecule is implicated in the abnormal mobility of the proton in water (Grotthuss mechanism).
Ce travail de thèse s'intéresse à la compréhension de la forte mobilité du proton dans l'eau. L'eau est fondamentale pour la vie et est le milieu essentiel pour les processus chimiques et biologiques. La richesse de l'interdisciplinarité des sciences permet d'en étudier les propriétés au niveau moléculaire qui la rendent unique. La technique privilégiée pour cette étude est la spectroscopie vibrationnelle résolue en temps à l'échelle femtoseconde. Plusieurs expériences sont réalisées pour caractériser la dynamique de l'eau à cette échelle de temps. La visualisation de la rotation des molécules d'eau obtenue par des mesures d'anisotropie est présentée. Cette expérience est réalisée dans l'eau isotopique HDO/D2O pour des raisons de convenance expérimentale et théorique. Cependant ce n'est pas l'eau. L'eau pure H2O est étudiée à partir des modes de libration permettant de s'affranchir d'effets thermiques gênants. Un transfert résonnant énergétique intermoléculaire est alors observé. Enfin la forme localisée du proton dans les molécules d'eau (appelée forme Eigen) est mise en évidence expérimentalement. Cette molécule est impliquée dans l'explication de la mobilité anormale du proton dans l'eau appelé mécanisme de Grotthuss.