De la structure aux propriétés énergétiques et spectrales

30 octobre 2025

Un nouvel outil stochastique et guidé par la structure a été développé pour la génération à grande échelle de modèles atomistiques de carbones amorphes hydrogénés (HAC). Les structures des HACs, leurs énergies et leur spectres infrarouges proviennent de calculs réalisés à un niveau quantique approximé (DFTB). Un site web dédié offre un accès libre à l’ensemble de la communauté scientifique à cette base de données, nommée ARMAGNHAC.

Les carbones amorphes hydrogénés (HACs) sont des formes complexes et désordonnées de carbone qui présentent un intérêt dans divers domaines scientifiques, tels que l’étude de la pollution atmosphérique due aux particules de suie et l’astrochimie.

Un nouvel algorithme stochastique, guidé par la structure, a été développé pour la génération à grande échelle de modèles atomistiques des HACs. Il consiste en une procédure en deux étapes : (i) la génération aléatoire de structures 2D à l’aide de la description SMILES (simplified molecular input line entry system), en respectant des contraintes chimiques prédéfinies par l’utilisateur ; (ii) la génération ultérieure de structures 3D, à l’aide d’un algorithme d’échantillonnage stochastique combiné à des optimisations locales au niveau DFTB (density functional based tight binding). Cette méthode a été utilisée pour générer la première base de données de HACs, nommée ARMAGNHAC, qui fournit les propriétés structurales (coordonnées cartésiennes, rapports entre groupes fonctionnels, paramètres de Hill-Wheeler et descripteurs d’aromaticité), énergétiques (écart HOMO-LUMO, énergie d’ionisation et affinité électronique) et spectroscopiques de 4366 HACs.
La base de données (structures et propriétés) est en libre accès et peut être téléchargée par les utilisateurs (site web). Des graphiques de corrélation entre les descripteurs peuvent être générés sur le site web, ainsi que des spectres IR, pouvant inclure leur évolution en fonction d’une propriété donnée.

Une première illustration de la manière dont la base de données ARMAGNHAC peut être utilisée a été fournie. Elle a mis en évidence que les HAC générés présentent : (i) des formes plutôt sphériques ou allongées, (ii) une distribution bimodale de l’écart HOMO-LUMO, séparant les structures contenant soit des cycles aromatiques isolés, soit des îlots aromatiques plus grands, (iii) une dépendance des potentiels d’ionisation et des affinités électroniques à la taille du plus grand îlot aromatique. De plus, il a été démontré que la base de données ARMAGNHAC peut être utilisée pour aider à interpréter/réinterpréter des mesures expérimentales, sur la base de deux exemples liés aux bandes optiques interdites et aux énergies d’ionisation de particules de suie.

Ces travaux ouvrent la voie à de futures études visant à établir des relations entre les propriétés structurales, énergétiques et spectrales des HACs, indispensables à l’interprétation des observations spectrales du milieu interstellaire et des mesures expérimentales.

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le LCPQ, le LAAS et le CEMES et supportés par le CNRS au travers du projet 80|Prime QUARTET.

Contact :
Nathalie Tarrat | nathalie.tarrat[chez]cemes.fr

Publication :
The ARMAGNHAC Database: A Ratio-based Molecular Analyzer and Generator of Numerous Hydrogenated Amorphous Carbons
V. Milia, M. Rapacioli, C. Zanon, J. Cortés, and N. Tarrat
The Journal of Physical Chemistry A (2025)
DOI : https://doi.org/10.1021/acs.jpca.5c04941