The Electric Field at an Oxide Surface - Impact on Reactivity of Prebiotic Molecules

par Sara Laporte

Thèse de doctorat en Physique et Chimie des Matériaux

Sous la direction de Antonino Marco Saitta.

Soutenue le 28-09-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (laboratoire) .

Le jury était composé de Dominique Costa, Michiel Sprik, Marie-Laure Bocquet, Mounir Tarek, Edouard Kierlik.

  • Titre traduit

    Le champs électrique à la surface d'un oxide - Effet sur la réactivité de molécules prébiotiques


  • Résumé

    Les surfaces minérales auraient eu un rôle important dans la chimie prébiotique, grace à leurs propriétés catalytiques, tel que le champ électrique de surface. Dans ce travail, le champ électrique à la surface de MgO et à l'interface MgO/eau est étudié en utilisant la dynamique moléculaire ab-initio. Ce champ est local et intense, de l'ordre de V/Å, même lorque la surface est recouverte d'eau. Une réaction prébiotique modèle est ensuite étudiée, à la surface de MgO : une molécule de monoxide de carbone et une molécule d'eau, donnant une molécule d'acide formique. En utilisant la métadynamique, et sans connaissance des états de transition en amont, des chemins de réaction sont trouvés et leurs profils d 'énergie libre sont calculés à 5 kcal/mol près, avec l'aide d'un échantillonage dans l'espace des configurations par « umbrella sampling ». La présence de la surface minérale stabilise l'acide formique d'au moins 15 kcal/mol par-rapport au cas en solution sans surface. La même réaction a aussi été étudiée sous un champ électrique homogène de 0,3 V/Å, afin de comparer l'effet de ce champ à l'effet du champ de surface sur le paysage d'énergie libre. Le champ homogène stabilise aussi le produit, et l'acide formique se trouve orienté dans la direction du champ électrique de surface ainsi que dans le champ électrique homogène. Ce travail montre que les conditions proche d'une surface minérale, même sans adsorption directe, peut modifier considerablement le paysage d'énergie libre de réactions chimiques, ce qui pourrait avoir de l'importance en chimie prébiotique.


  • Résumé

    Mineral surfaces are thought to be of importance to prebiotic chemistry due to their catalytic properties, which include a strong electric field at the interface. In this work the electric field at the surface of MgO and at the interface of MgO and water is studied through ab-initio molecular dynamics. The spontaneous electric field from the surface is found to be local and intense, on the order of V/Å, even when completely covered with water. A model prebiotic reaction is then studied on the model MgO surface : carbon monoxide and water yielding formic acid. Using metadynamics, reaction pathways were found with no a priori knowledge of the transition states, and umbrella sampling was then used to compute free energy landscapes to about 5 kcal/mol accuracy. The presence of the mineral surface was found to stabilise formic acid by at least 15 kcal/mol compared to the bulk case. The reaction was also studied in solution with an applied electric field of 0.3 V/Å, in order to estimate to impact of the surface electric field on the free energy landscape. The field is also found to stabilise the product, and formic acid is found to have a preferred orientation in the direction of both the applied electric field and the surface electric field. This work shows that near surface conditions (without direct adsorption) can significantly alter the free energy landscapes of chemical reactions, in a way which could be of importance for prebiotic chemistry.


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