Nuclear Quantum Effects in Hydrated Nanocrystals

Axe 6 - Axe transversal méthodologique pour la modélisation des matériaux

Thèse de Sofiane Schaack

Thèse commencée en 2016.

Soutenance de thèse le 25 septembre 2019 à 14h00
Salle 317 de l'INSP - Couloir 22-23 - Campus Pierre et Marie Curie

Laboratoires co-porteurs

Institut des NanoSciences de Paris (INSP)
Porteur de projet : Fabio Finocchi
Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC)

Le projet de recherche

La nature quantique des noyaux produit des comportements inattendus et souvent paradoxaux.

Du fait de sa légèreté, l'hydrogène est le candidat le plus susceptible de présenter de tels comportements. Nous avons étudié trois systèmes hydratés dont les mécanismes sont déterminés par les propriétés quantiques des protons (NQEs) : la Brucite (Mg(OH)2), l'hydrate de méthane (CH4-H2O) et l'hydroxyde de sodium (NaOH).

Au sein des Brucites coexistent deux effets en compétition : un mécanisme de réorientation thermiquement activé, et un processus de dissociation déclenché par les NQEs. Ces deux effets s'opposent sous l’augmentation de la pression, entraînant l'existence d'un point de pression favorisant la diffusion des protons à mesure que se forme un plan d'hydrogène "quantique" quasi 2D.

Sous pression, l’hydrate de méthane présentent une augmentation des interactions entre le réseau d’eau et les molécules de méthane qui y sont enfermées. Contrairement à la glace, la transition de symétrisation des liaisons hydrogène ne change pas par substitution isotopique du fait de la délocalisation du proton. Celle-ci déclenche également une transition vers une nouvelle phase, stable jusqu'à des pressions jamais atteintes par tout hydrate connu à ce jour.

La soude présente une transition de phase en-dessous de la température ambiante et à pression ambiante uniquement dans sa version deutérée. Cet effet isotopique s'explique par la délocalisation quantique et par l'importance de l'énergie de point-zéro du proton par rapport au deutéron. Étonnement la substitution isotopique change la transition induite par la température dans NaOD en une transition déclenchée par la pression dans NaOH.

Publications

Sofiane Schaack, Umbertoluca Ranieri, Philippe Depondt, Richard Gaal, Werner Kuhs et al.
Orientational Ordering, Locking-in, and Distortion of CH 4 Molecules in Methane Hydrate III under High Pressure
Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society, 2018, 122 (20), pp.11159-1116
Ref HAL : hal-01985274v1
Sofiane Schaack, Philippe Depondt, Fabio Finocchi
H-bond symmetrization in high pressure methane hydrate
Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2018. p. 012018.
Sofiane Schaack, Umbertoluca Ranieri, Philippe Depondt, Richard Gaal, Werner Kuhs et al.
Observation of methane filled hexagonal ice stable up to 150 GPa
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , National Academy of Sciences, 2019, 116 (33), pp.16204-16209
DOI : 10.1073/pnas.1904911116
Ref HAL : hal-02272820v1
Mathieu Moog, Sofiane Schaack, Fabio Pietrucci et al.
Unsupervised Exploration of MoS2 Nanocluster Configurations: Structures, Energetics, and Electronic Properties
The Journal of Physical Chemistry C, 2019.