Etude ab initio des glaces d'ammoniac fluoré et hydraté sous conditions thermodynamiques extrêmes

Ab initio study of fluorinated and monohydrated ammonia ices under extreme thermodynamic conditions

• Auteur / Autrice : Adrien Mafety
• Direction : Antonino Marco Saitta
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Édouard Kierlik, Magali Benoit, Alfonso San Miguel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Vast, Sandro Scandolo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Solides moléculaires

Liaisons hydrogène

Mots clés libres

Ab initio

Liaison hydrogène

Solide moléculaire et ionique

Haute pression

Transition de phase

Désordre

Ab initio

Hydrogen bonds

Phase diagram

Résumé

Nous nous proposons d'explorer les propriétés structurales et vibrationnelles de la glace d'ammoniac en présence de fluor et d'eau sur une large gamme de pression et de température. Ces solides moléculaires et ioniques sont des idéaux afin d'étudier les quatre liaisons hydrogène les plus importantes O-H...O, N-H...N, O-H...N et N-H...F et le mécanisme de transfert de proton le long de ces liaisons. Bien que ces mélanges soient composés de molécules simples, ils sont omniprésents dans l'univers et en particulier à l'intérieur des planètes géantes glacées (Neptune, Uranus) et de leurs satellites (Titan, Ganymède), ce qui a motivé leur exploration sous haute condition de pression et de température. Nous utilisons plusieurs méthodes ab initio afin d'étudier le diagramme de phase de deux cristaux, le fluorure d'ammonium (NH4F) et l'ammoniac monohydraté (NH3.H2O). Après avoir prédit plusieurs structures cristallographiques à 0 K, nous avons pu nous consacrer aux calculs de spectres Raman et infrarouge ainsi qu'à la prise en compte des effets de désordre et dynamique en utilisant la méthode de la dynamique moléculaire ab initio. Nos résultats ont ensuite été comparés à ceux issus des expériences sous enclumes de diamant. Nous avons découvert une transition de type ordre-désordre au sein de NH4F et un diagramme de phase très similaire au diagramme de phase de l'eau. Enfin, nous avons démontré que des conditions thermodynamiques relativement douces étaient suffisantes afin de transformer le mélange NH3.H2O en un cristal exotique où coexiste des molécules d'ammoniac et d'eau avec des ions hydroxyde et ammonium.

In this thesis, we explore the structural and vibrational properties of fluorinated and hydrated ammonia ices over a wide range of pressure and temperature. These crystals are considered as models to study the four main hydrogen bonds O-H…O, N-H…N, O-H…N, N-H…F and proton hopping mechanisms along these bonds. Although these mixtures are composed of simple molecules they are considered to be the major components of the interior of the giant icy planets (Neptune, Uranus) and their satellites (Titan, Ganymede), which has motivated their exploration under high pressure-temperature conditions. Here we investigate the phase diagram of two crystals, ammonium fluoride (NH4F) and ammonia monohydrate (NH3.H2O) by using several ab initio methods. Firstly, we have performed random structural search calculations in order to predict the lowest enthalpy structures at 0 K. On the other hand, we have calculated Raman and infrared spectra of the most promising structures and ab initio molecular dynamics simulations were performed for the understanding of disorder and dynamic effects. Then, our results have been compared to experimental evidence. We have discovered an order-disorder transition in NH4F with a phase diagram surprisingly similar to that of water. Finally, we have demonstrated that relatively mild pressure conditions were sufficient to transform NH3.H2O into an exotic phase where the standard molecular forms of water and ammonia coexist with their ionic counterparts, hydroxide and ammonium ions.