Techniques Moléculaires de Caractérisation

Cet enseignement a pour objectif de donner aux étudiants les bases nécessaires pour acquérir une bonne maîtrise des outils de caractérisation. Il couvre la description des spectroscopies d'absorption infrarouge et UV-visible, de diffusion Raman et d'émission de fluorescence, de résonance magnétique nucléaire, de spectrométrie de masse ainsi que des techniques d'analyse de diffusion de rayonnement.

• Spectroscopie vibrationnelle (absorption Infrarouge et diffusion Raman): (7 h de cours + 5 h de TD + 3 h de préceptorat, L. Bokobza)
• Etude des spectres de vibration-rotation des molécules diatomiques [règles de sélection qui régissent les transitions en absorption et en diffusion; conséquences, sur les spectres, de l'anharmonicité des vibrateurs; paramètres moléculaires qui peuvent être déduits de l'analyse des spectres].
• Vibrations des molécules polyatomiques: traitement en mécanique classique et en mécanique quantique.
• Application de la théorie des groupes à la spectrométrie de vibration: détermination de l'activitédes vibrations en absorption infrarouge et en diffusion Raman à partir de leurs propriétés de symétrie.
• Introduction à la spectrochimie: justification de l'existence de fréquences caractéristiques de groupes d'atomes à l'aide de modéles mécaniques simples et méthodes d'attribution des spectres d'absorption infrarouge.
• Spectroscopie proche-infrarouge: potentiel de cette technique pour la résolution de problèmes analytiques dans des domaines aussi divers que ceux de l'agro-alimentaire, de la pétrochimie ou des polymères.
• Préceptorat (3h) - Relation entre spectres de vibration et symétrie des molécules - Fréquences de groupes : justification de leur existence à partir de modèles mécaniques - Le vibrateur C=O : paramètres susceptibles de modifier sa fréquence de vibration

• Spectroscopie ultraviolette et visible; photoluminescence: (3 h de cours + 2 h de conférences, L. Bokobza)
• Transitions électroniques des molécules polyatomiques.
• Dissipation de l'énergie d'excitation par une molécule isolée: conversion interne, fluorescence, croisement intersystème, phosphorescence, désexcitation non-radiatives.
• Considérations cinétiques: durées de vie, rendements quantiques.
• Effets des interactions avec le solvant et entre chromophores.
• Mécanismes d'inhibition de la fluorescence.
• Exemples d'utilisation des sondes de fluorescence dans les milieux polymères et micellaires ainsi que dans les protéines et les membranes biologiques.
• Applications de la microspectroscopie de fluorescence à la biologie.

• Résonance Magnétique Nucléaire: (8 h de cours + 3 h de TD + 3h de préceptorat, A. Trokiner)
• Introduction: Effet Zeeman, populations à l'équilibre, aimantation nucléaire; référentiel tournant, introduction à la relaxation.
• Aspects expérimentaux : le signal RMN et la Transformée de Fourier, aspects quantitatifs, mesure des temps de relaxation T1 et T2. Expériences RMN en conditions extrêmes.
• Les interactions : interactions dipolaire, de déplacement chimique, de couplage scalaire et interaction quadrupolaire.
• Retour sur la RMN des liquides et solutions.
• RMN dans les matériaux solides : effet d'anisotropie sur les interactions, méthodes spécifiques aux solides : rotation à l'angle magique (M.A.S.) et polarisation croisée. Aspects expérimentaux.
• IRM: principe de l'imagerie par transformée de Fourier; codage de l'espace, types d'images, images pondérées par les temps de relaxation T1 et T2.
• Préceptorat (3h) - Relaxation spin-spin dans un polymère - Imagerie par RMN

• Diffusion des rayonnements: (10 h de cours, P. Levitz)
• Géométrie et organisation dans le monde de la matière condensée.
• Corrélation structurale et diffusion de rayonnement
• Corrélation structurale et Diffusion de rayonnement : l'approximation de Fraunhofer ; théorème de Babinet ; généralisation à des structures 3D.
• Mise en oeuvre expérimentale : Les principaux rayonnement utilisés (X, neutrons, lumière); Notion de section différentielle de diffusion et de longueur de diffusion.
• Analyse qualitative de la diffusion de rayonnement : Règle de calcul d'un spectre de diffusion (q versus rc=1/q) ; Diffusion et dimensionnalité des objets ; Loi de Porod et surface spécifique ; diffusion de rayonnement par un fractal de masse, de surface ; diffusion par des solutions de polymères.
• Diffusion de rayonnement par une assemblée de particules en régime dilué: Facteur de forme; régime de Guinier.
• Diffusion de rayonnement par une assemblée de particules en régime concentré Facteur de structure, loi de gonflement.
• Diagramme de Zimm (régime dilué)
• Suivi de la dynamique.v

• Spectrométrie de masse: (3 h de Conférences, J. Vinh)
• Méthodes d'ionisation et d'analyse, instrumentation.
• Etude de spectres de masse, distribution isotopique, mesure de masse et fragmentation.
• Applications: environnement, analyse de traces et de métabolites; chimie et biologie, recherche de structures; pétrochimie.

• Spectroscopie d'absorption infrarouge
• Spectroscopie d'absorption UV-visible et d'émission de fluorescence
• RMN de polymères, mesures de temps de relaxation associées à des mesures de viscosité (RMN de 1H et du 13C).
• Diffusion statique de la lumière, étude de solutions diluées de polymères, diagramme de Zimm (rayon de giration, second coefficient du viriel)
• Corrélation de photons (rayon hydrodynamique des particules)
• Simulation de spectres sur ordinateur.

Les travaux pratiques sont une illustration directe des enseignements théoriques. Ils permettent aux étudiants tant l'assimilation que l'approfondissement de ces enseignements. Ils sont consacrés à l'analyse des structures et des interactions moléculaires et visent surtout à faire acquérir la maîtrise de l'instrumentation et des conditions expérimentales pour une optimisation de la réponse spectroscopique.

Laboratoire de Physico-Chimie des Polymères et des Milieux Dispersés