Modélisation multi-échelle des ions en solution : des descriptions atomiques juqu'au génie chimique

Multi-scale modelling of ions in solution : from atomistic descriptions to chemical engineering

• Auteur / Autrice : John Jairo Molina
• Direction : Pierre Turq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - Physique et chimie analytique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perturbation (mathématiques)

Thermodynamique

Dynamique moléculaire

Viscosité

Électrolytes

Résumé

Les ions en solutions ont un rôle fondamental dans de nombreux processus physiques, chimiques et biologiques. Dans le cadre des applications industrielles, l’ingénieur les décrits par des modèles analytiques simples, qui sont paramétrisés et ajustés afin de reproduire des données expérimentales. Dans ce travail, nous proposons une procédure multi-échelle à gros-grains pour obtenir ces modèles simples à partir de descriptions atomiques. D’abord, les paramètres de forces classiques pour des ions en solutions sont extraits de calculs ab-initio. Des potentiels effectifs (McMillan-Mayer) ion-ion sont ensuite obtenus à partir des fonctions de distribution de paire mesurées dans des simulations de dynamique moléculaire. Avec ces potentiels effectifs, nous pouvons établir une description à solvant continu des électrolytes. Finalement, nous mettons en œuvre un calcul de perturbation, pour définir la meilleure représentation possible pour ces systèmes, en termes de sphères dures chargées (éventuellement associées). Le modèle final ainsi obtenu est analytique et il ne contient pas de paramètres ajustables. On montre qu’il est en bon accord avec les résultats exacts obtenus par des simulations Monte-Carlo pour la structure et la thermodynamique. La thèse se termine en proposant la mise au point d’une analyse similaire pour la viscosité des électrolytes, obtenue à partir d’une base moléculaire

Ions in solution play a fundamental role in many physical, chemical, and biological processes. For industrial applications these systems are usually described using simple analytical models which are fitted to reproduce the available experimental data. In this work, we propose a multi-scale coarse graining procedure to derive such models from atomistic descriptions. First, parameters for classical force-fields of ions in solution are extracted from ab-initio calculations. Effective (McMillan-Mayer) ion-ion potentials are then derived from radial distribution functions measured in classical molecular dynamics simulations, allowing us to define an implicit solvent model of electrolytes. Finally, perturbation calculations are performed to define the best possible representation for these systems, in terms of charged hard-sphere models. Our final model is analytical and contains no free “fitting” parameters. It shows good agreement with the exact results obtained from Monte-Carlo simulations for the thermodynamic and structural properties. Development of a similar model for the electrolyte viscosity, from information derived from atomistic descriptions, is also introduced.