Modélisation multi-échelle de nano-capteurs à base de nanotubes de carbone et de polymères conjugués pour la qualité de l’eau

Multi-scale modeling of water quality nanosensors based on carbon nanotubes and conjugated polymers

• Auteur / Autrice : Robert Benda
• Direction : Bérengère Lebental, Eric Cancès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philip Piquemal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bérengère Lebental, Eric Cancès, Julia Contreras-García, Alston J. Misquitta, Gabriel Stoltz, Jean-Christophe Gabriel, Halima Mouhib
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julia Contreras-García, Alston J. Misquitta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Qualité de l'eau

Nanotubes

Champs de force (chimie)

Théorie quantique

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Modélisation

Champs de force

Paramétrisation

Méthodes ab-Initio

Multipoles locaux

Nanotubes de carbone

Modeling

Force fields

Parametrization

Ab-Initio methods

Local multipoles

Carbon nanotubes

Résumé

Cette thèse étudie des nano-capteurs de qualité de l'eau basés sur des réseaux percolants de nanotubes de carbone (CNT) fonctionnalisés par des polymères conjugués. Une stratégie de modélisation multi-échelle est construite à partir de l'analyse des mécanismes de sensibilité possibles de ces capteurs chimiques. Différentes sous-échelles émergeant de cette approche bottom-up sont traitées quantitativement. Premièrement, une forme fonctionnelle de la résistance effective des réseaux percolants de nanotubes de carbone, relativement aux principaux paramètres géométriques et physiques, est déduite à partir de méthodes de Monte-Carlo. Afin d'estimer la résistance par unité de longueur d'un CNT (fonctionnalisé) par des méthodes ab-initio, nous décomposons le système composé d'un nanotube (fonctionnalisé) interagissant avec différents ions dans l'eau en différents sous-sytèmes, étudiés individuellement, en choisissant le modèle approprié pour chaque sous-échelle (en suivant un compromis représentativité - coût - précision).Une méthodologie, basée sur des méthodes de calculs de structure électronique et de solvants implicites existantes, est développée pour étudier l'interaction dans l'eau de sondes organiques avec une large variété d'ions à couche fermée coexistant en milieu aqueux. Cette méthodologie générale est appliquée à un exemple de sonde développée dans l'équipe. Des développements méthodologiques et de nouveaux algorithmes sont présentés dans le contexte du problème Restricted Open-Shell Hartree-Fock, avec pour objectif d'améliorer les prédictions sur les systèmes comprenant des ions à couche ouverte. Une méthodologie alternative, basée sur des outils de paramétrisation de champs de force (classiques ou polarisables) existants et des codes de dynamique moléculaire, est également établie afin d'obtenir une autre mesure de l'importance de l'interaction entre une sonde organique et différents ions, en solvant explicite. Plusieurs méthodes existantes pour le calcul des moments multipolaires, paramètres clés des champs de force polarisables, sont reformulées d'un point de vue mathématique et implémentées numériquement de manière plus modulaire et en compatibilité avec un très grand nombre de codes de calculs quantiques. L'interaction d'une large gamme de nanotubes de carbone avec divers polymères conjugués est aussi étudiée par dynamique moléculaire, en utilisant un champ de force existant et l'une de ses paramétrisations déjà disponible, validée pour cet usage spécifique sur quelques systèmes modèles. Enfin, les mécanismes dominants dans le transport électronique à température ambiante dans les nanotubes de carbone sont déduits de la littérature existante, ainsi qu'une méthodologie possible - faisant appel à l'équation de Boltzmann - pour inclure le mécanisme dominant (scattering électron-phonon). Cette méthodologie est appliquée à un système modèle composé d'un CNT et d'un ion chlorure adsorbé à sa surface.

We address in this PhD thesis water quality nanosensors based on polymer-functionalized carbon nanotubes networks. We derive a bottom-up multi-scale modeling strategy from the analysis of the possible sensing mechanisms of these chemical sensors. Several subscales arising from this bottom-up approach are treated quantatively. First, a functional form for the effective resistance of percolating network of carbon nanotubes, as a function of the main geometrical and physical parameters is derived by means of Monte-Carlo methods. To derive estimations of the resistance per unit length of a (functionalized) CNT from first principles, we decompose a (functionalized) nanotube interacting with several ions in water into different subsystems, which are studied indepently, choosing the appropriate model for each subscale (following a representativity--cost--accuracy compromise). A methodology is thus developed, based on existing electronic structure calculation methods and implicit solvent models, to study the interaction in water of an organic probe with a wide variety of closed-shell ions co-existing in water. We apply this general methodology to an example of probe developed in our team. Methodological developments and new algorithms in the context of the Restricted Open-Shell Hartree-Fock problem are presented, in view of treating more easily systems with open-shell ions. An alternative methodology, based on existing force field parametrization tools and molecular dynamics simulations codes, is established in order to derive another measure of the interaction strength of the ions--probe systems in explicit solvent, at the (classical or polarizable) force field level. Several existing methods for the computation of multipole moments, key parameters of polarizable force fields have been reformulated from a mathematical point of view and implemented in a new, more modular form (compatible with a larger number of quantum calculation codes). The interaction of a wide range of carbon nanotubes with conjugated polymers was also studied by means of molecular dynamics simulations, using an existing force field and one of its available parametrization, validated for this speficic use on benchmark model systems. Finally, we review the mechanisms governing the electronic transport occurring at room temperature in carbon nanotubes, and derive a possible methodology -- using the Boltzmann equation -- to include the leading mechanism (namely, the electron-phonon scattering) arising from this literature survey. We then apply this methodology to a simple model CNT--Cl- model system.