Modélisation ab initio des glaces d'eau en conditions extrêmes de pression et de température

Ab initio modeling of dense water ices at extreme conditions of pressure and temperature

• Auteur / Autrice : Jean-Alexis Hernandez
• Direction : Razvan Caracas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 05/07/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Daniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Razvan Caracas, Isabelle Daniel, Wendy R. Panero, Antonino Marco Saitta, Alessandra Ravasio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wendy R. Panero, Antonino Marco Saitta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Dynamique moléculaire

Liaisons hydrogène

Transitions de phases

Théorie de la fonctionnelle de densité

Conducteurs superioniques

Mots clés libres

Glaces d’eau de haute pression

Transitions de phases

Superionique

Liaison hydrogène

Dynamique moléculaire

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Chlorure de sodium

Rhéologie

High-pressure water ices

Phase transitions

Superionic

Hydrogen bond

Molecular dynamics

Density functional theory

Sodium chloride

Rheology

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions la stabilité et les propriétés des glaces d’eau de haute pression (entre 5 et 300 GPa) et de haute température (entre 300 et 2000 K) comportant ou non des inclusions de NaCl dans leur structure cristalline. Pour attendre ces conditions propres aux intérieurs des exoplanètes océans, nous utilisons une approche théorique basée sur des dynamiques moléculaires ab initio. Nous montrons que l’analyse de la dynamique des liaisons entre hydrogènes et oxygènes permet de distinguer toutes les phases de la glace présentant une structure cubique volume-centrée. En particulier, nous présentons la première description ab initio de la phase plastique, et nous mettons en évidence la présence de multiples transitions dans la phase superionique. Ensuite, nous montrons que jusqu’à 5.9 % en masse de NaCl peuvent être inclus dans la structure de la glace à 1600 K. L’inclusion des ions Na+ et Cl- stimule le désordre orientationel des molécules d’eau par rapport à la glace d’eau pure. À partir de 2.5 % en masse de NaCl, la conduction superionique s’étend à l’ensemble de la gamme de pression étudiée, et la symétrisation des liaisons hydrogènes se produit à plus haute pression. Enfin, nous décrivons les structures de cœur des dislocations vis ayant des vecteurs de Burgers <110> et <111> dans la glace X à 80 GPa, ce qui constitue une étape préliminaire importante à la construction de lois rhéologiques pour les glaces cubiques de haute pression.

In this thesis we study the stability and the properties of pure and NaCl-bearing dense water ices at high pressure (between 5 and 300 GPa) and high temperature (between 300 and 2000 K). To reach these conditions that correspond to the interiors of ocean exoplanets, we employ a theoretical approach based on ab initio molecular dynamics simulations. We show that a detailed analysis of the hydrogen bond dynamics allows to distinguish all the different ice phases presenting a body-centered cubic sub-lattice of oxygen atoms. In particular, we present the first ab initio description of the plastic phase of water ice. We also reveal the multiple transitions that occur in the superionic domain. Next, we show that ice VII' can incorporate up to 5.9 wt% NaCl in its structure at 1600 K. The inclusion of Na+ and Cl- ions enhances the orientation disorder of the water molecules in comparison to the pure ice. From 2.5 wt% NaCl, superionic conduction expands over the entire pressure range studied, and the hydrogen symmetrisation is shifted towards higher pressures. Last, we describe the <110> and <111> screw dislocation core structures of ice X at 80 GPa. This constitutes a first step towards the construction rheological laws for high-pressure cubic ices.