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Accueil du site > Offres d’emploi > Stages > [Master 2] Modélisation moléculaire de solutions aqueuses dans les milieux argileux insaturés

[Master 2] Modélisation moléculaire de solutions aqueuses dans les milieux argileux insaturés

par Virginie Marry - 23 octobre

Période de stage : février-juillet 2020

Encadrement : Virginie Marry (équipe MEM)

Projet

Les argiles ont de nombreuses applications industrielles, en particulier dans le domaine de l’énergie et de l’environnement : extraction du pétrole, dépollution de l’eau, stockage des déchets radioactifs et du dioxyde de carbone sont tant d’applications pour lesquelles l’étude de l’interaction entre l’eau des sols et les matériaux argileux est primordiale.

Les argiles sont composées de feuillets dont la charge négative est compensée par des contre-ions situés entre les feuillets. La valeur et la localisation de la charge du feuillet, ainsi que la nature du cation compensateur jouent un rôle majeur sur les propriétés d’hydratation et conduisent à des comportements radicalement différents d’une argile à l’autre. Si les argiles en conditions saturées (c’est à dire pour lesquelles tous les pores sont remplis d’eau) ont été beaucoup étudiées aussi bien expérimentalement que par modélisation, les milieux insaturés, correspondant à une hydratation partielle du matériau poreux, sont encore très mal connus.

L’objectif de ce stage est de modéliser à l’échelle microscopique les systèmes diphasiques en milieu poreux argileux par dynamique moléculaire, afin de pouvoir proposer d’une part une répartition réaliste des différentes phases (solution aqueuse, air) dans les pores, selon la composition de la solution aqueuse et les caractéristiques structurales des pores (taille du pore, mouillabilité de la surface), et d’autre part de comprendre l’effet du degré d’insaturation sur la distribution et le transport des espèces mobiles (cations, anions, eau) dans le milieu poreux.

Plusieurs champs de force (ensemble d’équations et de paramètres utilisés dans les simulations pour décrire les interactions entre les atomes) seront envisagés : en particulier le champ de force classique de référence pour les argiles, CLAYFF [1], et le champ de force polarisable PIM, développé actuellement au laboratoire PHENIX [2-5], duquel le stagiaire pourra être amener à contribuer au développement à partir de calculs DFT. En effet, la prise en compte de la polarisabilité peut jouer un rôle primordial lorsqu’il s’agit de décrire des interfaces [6-8]. Par ailleurs, dans le cas particulier des argiles, PIM a déjà montré une meilleurs aptitude que les champs de force non polarisables à décrire certaines propriétés [2-5]. En contrepartie, le temps de calcul est beaucoup plus long lorsqu’on ajoute la polarisabilité. Il est donc important d’évaluer à quel point sa prise en compte dans les simulations peut influer sur la description du système.

Le but à terme de cette étude est d’aider à l’élaboration de modèles à plus grande échelle, basés sur des distributions de pores réalistes, obtenues par exemple par imagerie.

Techniques ou méthodes utilisées

Les techniques de Monte Carlo Grand Canonique et de dynamique moléculaire classique seront utilisées pour les aspects thermodynamiques et structuraux d’une part et dynamiques d’autre part. En cas de nécessité, le stagiaire pourra être amener à aider au développement du champ de force polarisable PIM, pour lequel des calculs de DFT quantique seront entrepris.

Références

[1] Cygan, R.T. et al., J.Phys.Chem.B 2004, 108, 1255
[2] Tesson, S. et al., J.Phys.Chem.C 2016, 120, 3749
[3] Tesson, S. et al., J.Phys.Chem.C 2017, 121, 9833
[4] Hande, R. et al., Minerals 2018, 8, 205
[5] Tesson,S. et al., J.Phys.Chem.C 2018, 122, 24690
[6] Wick, C.D. et al., J.Chem.Theory and Comput. 2007, 3, 2002
[7] Jungwirth,P. et al., Chem. Rev. 2006, 106, 1259
[8] Kamath,G. et al., Cond. Matter 2013, 25, 305003