Multiscale experimental and numerical study of the structure and the dynamics of water confined in clay minerals

par Emmanuel Guillaud

Thèse de doctorat en Physique et science des matériaux

Soutenue le 10-07-2017

à Lyon en cotutelle avec Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Fredéric Caupin.

Le jury était composé de Laurent Joly, Dominique de Ligny, Friedlinde Götz-Neunhoeffer, Chantal Valeriani.

Les rapporteurs étaient Virginie Marry, Pascale Roy.

  • Titre traduit

    Étude multi-échelles expérimentale et numérique de la structure et de la dynamique de l’eau confinée dans les argiles


  • Résumé

    Les argiles sont des minéraux complexes présentant une porosité multi-échelles et une aptitude à gonfler sous atmosphère humide. Ces matériaux ont diverses applications en catalyse, dans le stockage des déchets, dans le bâtiment… Pourtant, les propriétés de l'eau confinées sont encore mal comprises, notamment en raison de la complexité de l'eau elle-même. Le but de ce travail est, en utilisant principalement les simulations moléculaires et les spectrométries vibrationnelles, de comprendre la structure et la dynamique de l'eau confinée dans les argiles.Afin d'évaluer la précision des modèles numériques pour décrire l'eau confinée dans les argiles, et pour comprendre l'origine de ses propriétés structurales et dynamiques, un large part de ce travail est consacrée aux briques constitutives de l'argile : l'eau pure, l'eau interfaciale et l'eau salée. A ce titre, on étudie les propriétés viscoélastiques de l'eau du domaine surfondu jusqu'à la température d'ébullition par dynamique moléculaire classique. On analyse aussi les propriétés de frottement près d'une surface type, et la précision des approches ab initio et des modèles de sels.Dans une seconde partie, on confronte ces résultats aux propriétés de l'eau confinée dans les argiles à basse température et à température ambiante, expérimentalement et numériquement. Les expériences consistent en des mesures exhaustives par spectrométrie d'absorption dans l'infrarouge moyen et lointain, tandis que les calculs sont des simulations de dynamique moléculaire classique. En particulier, on s'intéresse à l'existence de transitions de phases induites par le confinement ou les variations de température


  • Résumé

    Clay are complex minerals with a multiscale porosity and a remarkable ability to swell under humid atmosphere. These materials have many applications in catalysis, waste management, construction industry... However, the properties of confined water are still not fully understood, due in particular to the complexity of water itself. The aim of this work is, using mainly molecular simulations and vibrational spectroscopy, to understand the structure and the dynamics of water confined in clay minerals. To evaluate the accuracy of numerical models to describe water confined in clay minerals, and to understand the origin of its structural and dynamical properties, a large part of the work was devoted to the building blocks of clays: pure bulk water, water at the surface of a solid, and salt water. To this extent, the viscoelastic properties of water from the deeply supercooled regime to the boiling temperature were investigated using classical molecular dynamics. The evolution of the friction properties of water on a prototypical solid surface was also analyzed, and the accuracy of ab initio approaches and empirical salt models was studied.In a second part, those results were confronted to the properties of water confined in clay minerals at low and room temperature, studied both experimentally and numerically. Experimental work consisted mostly in extensive far- and -mid infrared absorption spectrometry measurements, whereas numerical work mainly consisted in empirical molecular dynamics simulations. Especially, the existence of confinement- or temperature-induced phase transitions of confined water was investigated


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