Modélisation des processus de piégeage, par la glace d'eau et les clathrates hydrates, de petites molécules d'intérêt astrophysique

Modeling the trapping processes of small molecules of astrophysical interest by water ice and clathrate hydrates

• Auteur / Autrice : Julien Joliat
• Direction : Sylvain Picaud, Delphine Vardanega
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut UTINAM (Univers, transport, interfaces, nanostructures, atmosphère et environnement, molécules) (Besançon) - Univers- Transport- Interfaces- Nanostructures- Atmosphère et environnement- Molécules (UMR 6213) / UTINAM
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Bellat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Bouquet, Anne Boutin, Jean-Marc Simon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gabriel J. R. Tobie, Benoît Coasne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astrophysique

Hydrates

Clathrates

Interaction glace-atmosphère

Adsorption

Mots clés libres

Monte Carlo

Glace

Clathrates Hydrates

Piégeage

Sélectivité

Astrophysique

Monte Carlo

Ice

Clathrate Hydrates

Trapping

Selectivity

Astrophysics

Résumé

Dans ce travail de thèse, des simulations à l'échelle moléculaire ont permis de modéliser le piégeage, éventuellement sélectif, de molécules légères par des systèmes glacés (glace cristalline hexagonale et clathrates hydrates), à des températures et pressions typiques de certains corps du Système Solaire (tels qu'Encelade et Titan). L'objectif fondamental est de mieux comprendre comment, en favorisant le piégeage de certaines espèces par rapport à d'autres, la structure moléculaire de la glace peut influencer la composition de la phase fluide environnante. Des simulations Monte Carlo ont été effectuées dans l'ensemble grand canonique (GCMC). Ces simulations sont parfaitement adaptées au calcul des isothermes et des énergies d'adsorption, observables pouvant faire l'objet de comparaisons avec les résultats expérimentaux disponibles. En particulier, le piégeage de petites molécules d'alcool a été modélisé sur la glace hexagonale, ainsi que, pour la première fois, le piégeage d'un mélange n-butanol/acide acétique, en différentes proportions. La sélectivité du piégeage de mélanges N2 -- CH4 dans les clathrates hydrates de Titan a également été étudiée en détail. Ces résultats, en très bon accord avec les données expérimentales, ouvrent la voie à des travaux de modélisation de la sélectivité du piégeage d'autres fluides mixtes, par d'autres formes d'eau solide, telle que la glace amorphe.

In this work, molecular-scale simulations have been used to model the trapping, possibly selective, of small molecules by icy systems (hexagonal crystalline ice and clathrate hydrates), at temperatures and pressures typical of certain bodies in the Solar System (such as Enceladus and Titan). The main objective is to gain a better understanding of how, by favoring the trapping of certain species over others, the molecular structure of ice can influence the composition of the surrounding fluid phase. Monte Carlo simulations have been carried out in the grand canonical ensemble (GCMC). These simulations are perfectly suited for calculating adsorption isotherms and adsorption energies, observables that can be compared with available experimental results. In particular, the trapping of small alcohol molecules has been modeled on hexagonal ice, as well as, for the first time, the trapping of a mixture of n-butanol/acetic acid in different proportions. The selectivity of trapping mixtures of N2 -- CH4 in Titan's clathrate hydrates has also been characterized in detail. These results, in excellent agreement with experimental data, pave the way for modeling the selectivity of trapping other mixed fluids by other forms of solid water, such as amorphous ice.