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Approche moléculaire en sciences de l’environnement

Une part importante des recherches de SE3D s’intéresse à la dynamique et toxicité des colloïdes et contaminants dans les écosystèmes. Ces processus résultent d’un nombre important de mécanismes bio-physico-chimiques dont l’énumération exhaustive reste très difficile. Un point capital est que tous les processus de transfert et de transformation des contaminants reposent sur des mécanismes réactionnels ayant lieu à l’échelle nanométrique ou moléculaire.

L’équipe développe une approche qui vise à mieux comprendre et prédire le lien entre la nanostructure (structure à l’échelle moléculaire) et la réactivité des colloïdes et des matériaux mal organisés. La réactivité à l’échelle atomique entre éléments (polluants, éléments majeurs) est conditionnée par leur spéciation dans l’eau et par l’énergie des sites de surfaces (figure 1). En fonction des énergies de liaison, la géométrie des molécules formées pourra varier fortement (figure 1). Or il est plus aisé de caractériser des structures que de déterminer des énergies.


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figure 1 : Différents mécanismes d’adsorption et d’incorporation de métaux par les minéraux du sol

Cette approche moléculaire est relativement récente car elle nécessite des outils performants utilisant le rayonnement synchrotron (XAS, XRF, DPAX) . Les grandeurs que nous pouvons ainsi analyser sont (figure 2) :

- Les distances inter-atomiques ou interdomaines dans des systèmes organisés à la mésoéchelle par :

DRX (Diffraction des rayons X) pour l’ordre intra cristallin,

DPAX (Diffusion aux Petits Angles de RX) pour « l’ordre » inter-particulaire et les facteurs de forme et de structure permettant de remonter aux dimensions fractales, à la forme et à la taille des objets infra-microniques (échelle semi-locale).


- La distance inter-atomique (< 10 Å) et la spéciation (incluant les états d’oxydation), caractérisée en combinant différentes méthodes spectroscopiques :

XAS (X-ray Absorption Spectroscopy)  : XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure), EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structures), spectro-microscopie X (micro-XANES, micro-EXAFS),

FTIR (Infra-Rouge à Transformée de Fourier),
RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) (échelle locale).


- La mesure des concentrations au sein des phases reconnues par les méthodes précédentes :

microscopie MEB-EDS (Micro-analyse : Microscopie électronique à balayage couplée à l’Energy Dispersive Spectroscopy),
MET-EELS-EDS (microscopie Electronique à Transmission couplée à l’Electron Energy Loss Spectroscopy et/ou l’EDS),
micro-XRF (X-ray Fluorescence spectro-microscopy).


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figure 2 : caractérisation multi-échelles : différentes techniques utilisées