Dioxyde de carbone en conditions extrêmes : étude des phases liquide(s), crystallines, verre et leur transformations par méthodes topologiques ab initio

Carbon dioxide at extreme conditions : liquid(s), crystals, glasses and their transformation from ab initio topological methods

• Auteur / Autrice : Mathieu Moog
• Direction : Antonino Marco Saitta, Fabio Pietrucci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Édouard Kierlik
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Laure Bocquet, Jean-Louis Hazemann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Costa, Sandro Scandolo
• DOI : 10.70675/79c3824dz75ccz40f3zb25bz2853c718a0e0

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Manteau inférieur

Dynamique moléculaire

Dioxyde de carbone

Transitions de phases

Mots clés libres

Dioxyde de carbone

Dynamique moléculaire

Haute pression

Ab initio

Transitions de phases

Cristaux moléculaires

Carbon dioxyde

Molecular dynamics

High pressure

Ab initio

Phases transitions

Molecular crystals

Résumé

Le dioxyde de carbone est un constituant important du manteau de la Terre et intervient dans de nombreux processus géologiques, notamment sismiques et volcaniques. Dans cette thèse, nous étudions les transformations du dioxyde de carbone dans les conditions extrêmes du manteau inférieur de la Terre. En effet, la compréhension du comportement du dioxyde de carbone et notamment de ses mécanismes de polymérisation dans ces conditions pourrait apporter un éclairage supplémentaire sur les propriétés du manteau inférieur. Nous utilisons ici des outils topologiques avancées et des méthodes de simulation aux premiers principes (ab initio) afin d’étudier ces mécanismes de polymérisation du dioxyde de carbone dans des conditions de températures et de pressions extrêmes du manteau. Ce faisant nous mettons en évidence quatre comportements fluides différents dans ces conditions géothermiques: le liquide moléculaire classique, avec des interactions faibles entre molécules de dioxyde de carbone ; un liquide moléculaire réactif dans lequel ces molécules réagissent fréquemment et forment d’éphèmes dimères permettant l’échange d’oxygène entre elles ; un liquide polymérique hautement réactif formant un réseau complexe de chaînes moléculaires en perpétuelles évolutions ; une forme liquide avec très peu de diffusion, semblable à un amorphe. Tous ces fluides peuvent apparaître dans les conditions expérimentales du manteau inférieur; leur propriétés peuvent donc impacter la réactivité et les propriétés de transport de ce dernier. Par exemple, le liquide moléculaire réactif semble indiquer une participation accrue du dioxyde de carbone dans les réactions du manteau.

Although carbon dioxide is well known for its impact on the atmosphere, it is also an important constituent of the mantle of earth. As such, it is implicated in a number of geological events, notably in earthquakes and volcanism. In this thesis we aim at understanding the behavior of carbon dioxide in the lower mantle, where it is likely formed through reactions between carbonates and silicon dioxide. Indeed, the properties of carbon dioxide, and most notably its polymerization mechanisms may impact the reactivity of the mantle and therefore impact the chemical properties occurring within it. In this work we use state of the art topological descriptors and ab initio simulation methods to study the polymerization mechanisms that occurs under the extreme conditions corresponding to the lower mantle of Earth. We notably show the existence of four distinctive fluids that coexist at those conditions, including: a reactive molecular fluid with the regular formation of dimers allowing the exchange of oxygen between carbon dioxide molecules; a very reactive polymeric fluid which forms a complex network in perpetual evolution; and a very sluggish liquid, very similar to an amorphous solid ; and the standard molecular liquid with long range interactions between carbon dioxide molecules. All of those different fluids occur within the experimental conditions of the lower mantle and therefore may have potential implications for its reactivity and transport properties. The reactive molecular liquid, for example, implies that carbon dioxide will take an important part in the chemical reactions of the mantle.