Nouvelle approche des interactions électrostatiques aux interfaces métal/liquide et applications pour le couple graphène/eau

New approach for electrostatic interactions at metal/liquid interfaces and applications for the graphene/water couple.

• Auteur / Autrice : Anton Robert
• Direction : Marie-Laure Bocquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 28/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Processus d'activation sélectif par transfert d'énergie uni-électronique ou radiatif (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Rotenberg
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Laure Bocquet, Benjamin Rotenberg, Marie-Pierre Gaigeot, Nicolás Lorente, Benoît Coasne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Pierre Gaigeot, Nicolás Lorente

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Métal

Liquide

Électrostatique

Interface

Graphène

Eau

Théorie quantique des champs

Champ moyen

Fonction de réponse

Renormalisation

Équation intégrale

Metal

Liquid

Electrostatics

Interface

Graphene

Water

Quantum field theory

Mean-field

Response function

Renormalization

Integral equation

Résumé

Un cadre théorique est introduit pour aborder les interactions électrostatiques aux interfaces métal/liquide. En adoptant une perspective microscopique, nous déplaçons le problème électrostatique dans la résolution d’une équation intégrale pour la fonction de réponse linéaire du système interfacial. En décrivant les fluctuations et la réponse diélectrique du liquide dans le formalisme de la théorie quantique des champs, nous héritons de nouveaux concepts pour aborder les interactions collectives en champ moyen. La précision et la versatilité de notre approche nous permettent de décrire des interfaces carbonées en considérant la spécificité de leurs structures de bandes électroniques. Cette méthode est ensuite mise en pratique pour étudier le potentiel de force moyenne d’un ion solvaté près d’une surface de graphène, la largeur de la bande électronique interdite d’un nanotube solvaté, l’interaction de van der Waals entre du graphène et de l’eau, et des coefficients de friction solide/liquide. La validité des hypothèses classiques concernant le découplage des temps et longueurs caractéristiques aux interfaces métal/liquide, peut être systématiquement évaluée.

A theoretical framework is introduced to tackle electrostatics interactions at metal/liquid interfaces. By adopting a microscopic perspective, we displace the electrostatic problem in resolving an integral equation for the linear response function of the interfacial system. By describing the liquid's fluctuations and dielectric response in the framework of quantum field theory, we inherit new concepts to deal with collective interactions at the mean-field level. The precision and versatility of our approach allow us to scrutinize carbon interfaces, taking into account the specificity of their electronic band structures. This method then is used to study the mean force potential of an aqueous ion at the graphene interface, the electronic band gap of a solvated carbon nanotube, the van der Waals interactions between a metal and a liquid, and solid/liquid friction coefficient. The validity of mainstream hypothesis regarding time and length scales decoupling at metal/liquid interfaces can be systematically challenged.