Auto-assemblage moléculaire dans les solides Van der Waals, applications à la planétologie et au transport et stockage de l'énergie

Self-engineering in molecular solids, applications to planetary science and energy transport and storage

• Auteur / Autrice : Nicolas Gassies
• Direction : Paolo Stringari
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Energétique et génie des procédés
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Energétique et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CTP - Centre Thermodynamique des Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Mots clés

Mots clés libres

Cristallisation

Hydrogène

Planétologie

Transport et stockage d'énergie

Equilibre de phases

Crystallization

Hydrogen

Planetary science

Energy transport and storage

Phase equilibrium

Résumé

Les solides moléculaires, ou solides Van der Waals, se forment lorsque les forces de Van der Waals prévalent sur l'énergie cinétique des molécules, permettant à ces dernières de former des structures organisées (auto-assemblage), avec des propriétés et des applications intéressantes. Les solides moléculaires peuvent être constitués de composés purs, de solutions solides (avec miscibilité partielle ou totale) ou de co-cristaux, selon les caractéristiques des molécules. Peu d'études relient la structure moléculaire au type de phase solide formée et, par conséquent, à sa stabilité et à son équilibre avec les phases fluides. Bien que les connaissances générales sur les solides Van der Waals à basse température soient encore rares, des progrès intéressants ont été réalisés pour les applications industrielles (production de gaz industriels et médicaux, et transport et stockage d'énergie) et en planétologie. Cette thèse vise à créer un pont entre les connaissances développées sur les solides van der Waals dans le domaine de la planétologie et leurs applications industrielles, comme les procédés de séparation cryogénique et le transport et le stockage de l'énergie. L'objectif principal de la thèse est d'étudier les propriétés d'un certain nombre de molécules d'intérêt pour le transport et le stockage de l'énergie et la planétologie dans le domaine des basses températures, jusqu'à la température d'ébullition de l'azote. Des mesures expérimentales et une approche par simulation moléculaire seront utilisées pour étudier les propriétés thermodynamiques et de transport de ces molécules et de leurs mélanges à l'état liquide et solide. En ce qui concerne les travaux expérimentaux, les appareils existants seront utilisés pour la caractérisation des équilibres entre phases (vapeur-liquide, solide-liquide,…) ; en outre, le doctorant sera impliqué dans la conception d'un appareillage pour la caractérisation des solides Van der Waals dans le domaine des basses températures.

Molecular solids, or Van der Waals solids, form when Van der Waals forces prevail on the kinetic energy of the molecules, allowing these last to arrange themselves in organized structures (self-engineering), with interesting properties and applications. Molecular solids can be constituted by pure components, solid solutions (with partial or total miscibility) or co-crystals, depending on the characteristics of the molecules. Few studies attempt to connect the molecular structure to the type of solid phase formed and, as a consequence, its stability and equilibrium with fluid phases. Despite the general knowledge on low temperature Van der Waals solids is still scarce, interesting progress has been produced for industrial applications (production of industrial and medical gasses, and energy transport and storage) and in planetary science. This thesis aims at creating a bridge between the knowledge on Van der Waals solids developed in planetary science and industrial applications, as cryogenic separation processes and energy transport and storage. The main objective of the thesis is the study of the properties of a certain number of molecules of interest for energy transport and storage and planetary science in the low-to-cryogenic temperature region down to the boiling temperature of nitrogen. These properties include the thermodynamic and transport properties of these molecules and their mixtures in both liquid and solid states, and will be evaluated by means of experimental measurements and molecular simulation. With respect to the experimental work, existing apparatuses will be used for the characterization of phase equilibria (vapor-liquid, solid-liquid, ); in addition, the PhD candidate will be involved in the conception/design of an apparatus for the characterization of the Van der Waals solids in the low-temperature region.