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Accueil du site > Offres d’emploi > Stages > [Master 2] Influence du caractère métallique des surfaces sur l’adsorption d’ions en solution : étude par dynamique moléculaire classique

[Master 2] Influence du caractère métallique des surfaces sur l’adsorption d’ions en solution : étude par dynamique moléculaire classique

par Benjamin Rotenberg - 23 octobre

Période de stage : De fin janvier /début février à fin juin /début juillet 2020

Encadrement : Benjamin Rotenberg (équipe MEM)

Description du projet

La physico-chimie des interfaces solide-liquide joue un rôle fondamental dans de nombreux domaines. On peut citer l’importance des interfaces électrochimiques et leurs applications pour la production et le stockage de l’énergie, et les fluides confinés dans des milieux poreux ou des dispositifs nanofluidiques. Des expériences récentes ont montré l’influence de la structure électronique des matériaux confinants (plus ou moins métalliques) sur les propriétés des fluides aux interfaces, comme leur cristallisation induite par le confinement sous une pointe d’AFM ou l’écoulement de fluides dans des nanotubes [1]. Dans ce contexte, le laboratoire PHENIX développe des outils de simulation moléculaire classique permettant la description des interfaces métalliques, en prenant en compte la polarisation du métal,maintenu à potentiel constant, induite par la présence de l’électrolyte. Ceci est plus réaliste qu’une description à charge constante, plus représentative d’un solide isolant. L’effet sur les propriétés interfaciales est important [2]et cette approche a permis d’étudier des systèmes complexes liés au stockage électrochimique de l’énergie dans les supercondensateurs, ou plus récemment la production d’énergie "bleue" ou la désalinisation [3]. Nous examinerons au cours du stage le rôle de la nature métallique du substrat sur l’adsorption d’ions en solution aqueuse, qui joue un rôle important sur les propriétés électrochimiques ou sur le transport des ions à travers des nanopores/tubes[4]. Il s’agira d’évaluer le potentiel de force moyenne pour l’adsorption des ions en présence de solvant, pour différents ions en phase aqueuse et différentes surfaces, en particulier de graphite. Dans ce dernier cas, une publication récente a proposé une étude avec traitant le graphite comme un matériau isolant [5], et nous étudierons l’effet de cette approximation en prenant en compte son caractère métallique.Cette étude se place dans le cadre d’un projet plus général sur la compréhension du"bruit électrique" dans les électrolytes(voir notamment [6] pour le cas du transport ionique dans les nanotubes), et le stage pourrait être poursuivi par une thèse, sous réserve de l’obtention d’un financement (ce point sera précisé avant le début du stage).

Techniques ou méthodes utilisées

L’étude reposera sur des simulations de dynamique moléculaire classique. Plus précisément, le stage reposera sur l’utilisation du code Metalwalls, développé au laboratoire PHENIX, qui permet de décrire des surfaces métalliques en introduisant des degrés de liberté supplémentaires(charges des atomes d’électrode) qui fluctuent au cours de la dynamique de façon à maintenir une condition de potentiel constant[7]. Des développements en cours permettent également de simuler les cas de métaux imparfaits reposant sur le modèle de Thomas-Fermi pour décrire l’écrantage au sein de l’électrode.Du point de vue méthodologique, un autre aspect original de ce projet porte sur le couplage entre cette méthode de simulation moléculaire classique d’électrodes avec la méthode d’intégration thermodynamique, afin de calculer le potentiel de force moyenne pour l’adsorption d’ions sur les surfaces en présence de solvant.Ceci sera effectué grâce à des développements récents du code Metalwalls permettant un interfaçage avec des scripts en langage Python.

Références

Les références [2,3] sont issues du laboratoire PHENIX.
[1] Comtet et al. Nature Materials 16, 634 (2017) ;Secchi et al. Nature537, 210 (2016)
[2] Merlet et al. J. Phys. Chem. Lett. 4, 264 (2013) ;Limmer et al. Phys. Rev. Lett. 111, 106102 (2013)
[3] Merlet et al. Nature Materials11, 306 (2012) ;Simoncelli et al. Phys. Rev. X8, 021024(2018)
[4] Limmer et al. Chem. Phys. Lett. 620, 144 (2015) ;Grosjean et al. Nature Commun. 10, 1656 (2019)
[5] Loche et al. J. Phys. Chem. Lett. 9, 6463 (2018)
[6] Secchi et al. Phys. Rev. Lett. 116, 154501(2016)
[7] Siepmann et al. J. Chem. Phys. 102, 511 (1995) ;Reed et al. J. Chem. Phys. 126, 084704 (2007)