Structural study of CH4, CO2 and H2O clusters containing from several tens to several thousands of molecules

Laboratoire de Physique des Solides, LA 2, Bâtiment 510, Université de Paris Sud, 91405 Orsay, France

Abstract

Clusters are produced during the free jet expansion of gaseous CH4, CO2 or H2O. For a given stagnation temperature To, the mean cluster size is easily increased by increasing the stagnation pressure p0. On the other hand, the cluster temperature does not depend on stagnation conditions but mainly on properties of the condensed gas. An electron diffraction analysis provides information about the cluster structure. Depending on whether the diffraction patterns exhibit crystalline lines or not, the structure is worked out either by using crystallographic methods or by constructing cluster models. When they contain more than a few thousand molecules, clusters show a crystalline structure identical to that of one phase, namely, the cubic phase, known in bulk solid: plastic phase (CH4), unique solid phase (CO2) or metastable cubic phase (H2O). When decreasing the cluster size, the studied compounds behave quite differently: CO2 clusters keep the same crystalline structure, CH4 clusters show the multilayer icosahedral structure wich has been found in rare gas clusters, and H2O clusters adopt a disordered structure different from the amorphous structures of bulk ice.

Résumé

Des agrégats sont produits au cours de la détente en jet libre des gaz CH4, CO2 ou H2O. Pour une température initiale donnée To, on accroît facilement la taille moyenne des agrégats en augmentant la pression initiale po . Par contre, la température des agrégats dépend principalement des propriétés du gaz condensé. Une analyse par diffraction électronique permet l'étude de la structure des agrégats. Selon que les diagrammes de diffraction contiennent ou non des raies cristallines, on a recours soit à des méthodes cristallographiques soit à la construction de modèles d'agrégats. Lorsqu'ils renferment plus de quelques milliers de molécules, les agrégats adoptent la structure cristalline de l'une des phases connues du solide massif et plus précisément la phase cubique : phase plastique pour CH4, phase solide unique pour CO2 ou phase cubique métastable pour H2O. Lorsque la taille des agrégats décroît, leurs comportements se révèlent très différents selon les molécules étudiées : les agrégats de CO2 conservent la même structure cristalline, les agrégats de CH4 adoptent la structure icosaédrique multicouche trouvée pour les agrégats de gaz rares, et les agrégats de glace adoptent une structure désordonnée différente des structures amorphes de la glace massive.