Molecular basis of thermophoresis

par Alejandro Díaz Márquez

Thèse de doctorat en Chimie. Chimie théorique et modélisation

Sous la direction de Guillaume Stirnemann.

Le président du jury était Benjamin Rotenberg.

Le jury était composé de Guillaume Stirnemann, Benjamin Rotenberg, Guillaume Galliéro, Margarida Costa Gomes.

Les rapporteurs étaient Guillaume Galliéro, Margarida Costa Gomes.

  • Titre traduit

    Les bases moléculaires de la thermophorèse


  • Résumé

    La thermophorèse ou thermodiffusion est un processus thermique par lequel la composition d’un mélange devient inhomogène sous l'effet d'un gradient de température, ce phénomène est connu sous le nom d'effet Soret. La nature de la thermophorèse n'est pas encore complètement comprise et reste très débattue, par contre est un phénomène assez présent dans la nature. Un cadre de recherche important où la thermophorèse avec la convection thermique pourrait expliquer l'accumulation de précurseurs dans des conditions prébiotiques, un processus crucial pour l'émergence de la vie en l'absence de toute compartimentation.L'objectif principal de ce projet est de comprendre les bases moléculaires de la thermophorèse dans les solutions aqueuses diluées. La thermophorèse est par essence un phénomène de non-équilibre, et certaines théories moléculaires se sont concentrées sur l'interprétation des gradients de concentration observés en termes de coefficients de transport. Néanmoins, expériences récentes ont suggéré que la thermophorèse en conditions d’état stationnaire peut-être comprise en prenant des considérations thermodynamiques dans équilibre.Les simulations dans le cadre de dynamique moléculaire sont un outil idéal pour déchiffrer ces questions sur de petits systèmes modèles. Nous nous sommes particulièrement intéressés aux petites molécules amphiphiles dans l'eau, qui englobent les caractéristiques moléculaires de base des solutés avec des parties hydrophiles et hydrophobes. Tout d'abord, nous avons proposé une approche de dynamique moléculaire robuste et fiable pour simuler la thermophorèse dans des solutions diluées réalistes en utilisant des simulations de dynamique moléculaire tout-atome. Ensuite, nous avons recherché des multiples propriétés physiques qui pourraient être corrélées avec le coefficient de Soret (c'est-à-dire l'ampleur du gradient de concentration en réponse à un gradient de température). Finalement, nous avons vérifié la viabilité de ce processus thermique qui pourrait être compris en termes de thermodynamique ou de cinétique à l'équilibre, comme c’est suggéré précédemment dans la littérature.


  • Résumé

    Thermophoresis or thermodiffusion is a thermally-driven process whereby the composition of a mixture becomes inhomogeneous under a temperature gradient, a phenomenon known as the Soret effect. The nature of thermophoresis is still not completely understood and it remains highly debated, though it is a phenomenon fairly present in the nature. One important framework field is that thermophoresis together with thermal convection could unveil the precursor accumulation in prebiotic conditions, a crucial process for the emergence of life in the absence of any compartmentalization.The main goal of this project is to understand the molecular bases for thermophoresis in dilute aqueous solutions. Thermophoresis is in essence a non-equilibrium phenomenon, and some molecular theories have focused on the interpretation of the observed concentration gradients in terms of transport coefficients. However, recent experiments have suggested that thermophoresis steady-states could be understood using equilibrium thermodynamic considerations.Molecular dynamics simulations are an ideally suited tool to decipher these questions on small model systems. We especially scoped small and amphiphilic molecules in water, which encompasses the basic molecular features of solutes with hydrophilic and hydrophobic moieties. Firstly, we proposed a robust and reliable molecular dynamic approach to undertake thermophoresis in dilute realistic solutions using all-atom molecular dynamics simulations. Secondly, we enquired into multiple physical properties that could be correlated with the Soret coefficient (i.e., the extent of the concentration-gradient in response to a temperature-gradient). Finally, we checked the viability of this thermally-driven process could be understood in terms of equilibrium thermodynamics of kinetics, as suggested before in the literature


  • Résumé

    El objetivo principal de este proyecto es entender las bases moleculares de la termoforesis en soluciones acuosas diluidas. La termoforesis es en esencia un fenómeno de no equilibrio y algunas teorías moleculares se han centrado en la interpretación de los gradientes de concentración observados en términos de coeficientes de transporte. Sin embargo, experimentos recientes han sugerido que la termoforesis en condiciones de estado estacionario podría entenderse tomando consideraciones termodinámicas en el equilibrio.Las simulaciones de dinámica molecular son una herramienta muy útil para estudiar estos fenómenos utilizando pequeños sistemas. En esta tesis nos hemos centrado específicamente en pequeñas moléculas anfifílicas en el agua, estas moléculas abarcan características moleculares básicas con partes hidrofílicas e hidrofóbicas. En primer lugar, propusimos una metodología de dinámica molecular robusta y fiable para llevar a cabo la termoforesis en soluciones diluidas realistas, mediante simulaciones de dinámica molecular de “all atom”. En segundo lugar, investigamos las múltiples propiedades físicas que podrían correlacionarse con el coeficiente de Soret (es decir, la magnitud del gradiente de concentración en respuesta a un gradiente de temperatura). Por último, comprobamos la viabilidad de que este proceso térmico pudiera entenderse en términos de termodinámica y cinética en equilibrio, como la literatura ha sugerido anteriormente.


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