Méthodologies de modélisation des réactions d'interface gaz/particules et des propriétés globales to model gas/particle interface reactions and bulk properties

L'équipe PCMT se concentre sur des recherches en chimie atmosphérique et en astrophysique. Pour ces deux domaines, l'objectif principal est de simuler les interactions moléculaires dans des environnements contrôlés. Cela est réalisé grâce à une combinaison de modèles théoriques et de validation expérimentale pour étudier des phénomènes clés tels que l'adsorption, la photodissociation et la formation de molécules organiques complexes. Les simulations visent à approfondir la compréhension des processus moléculaires qui sont fondamentaux pour les environnements atmosphériques et astrophysiques.

Diverses méthodologies, notamment la MD classique, l'AIMD, la DFT, la DFTB, la TDDFT, la QM/MM, la FDE, la REAXFF et la NNPES basée sur l'IA, sondent les interfaces gaz/particules. Une collaboration avec l'Université du Pays Basque a permis de développer une méthode GNOF-AIMD pour étudier la réaction N(⁴S) + H₂(¹Σ) → NH(³Σ) + H(²S) (HAL : hal-04491144v1).

Propriétés structurelles et dynamiques issues de la dynamique moléculaire ab initio et classique

L'AIMD, utilisant la DFT, est particulièrement efficace pour étudier les interactions gaz-surface en calculant les énergies et les forces « à la volée ». Cette approche, essentielle pour les systèmes réactifs complexes, a été appliquée dans des recherches de doctorat sur la photodésorption dans les glaces au CO (PhD S. Del Fré, Voir PCMT Highlight) et l'oxydation du NO sur graphite oxydé (PhD G. Alou, HAL : hal-04629324). Le coût élevé de l'AIMD limite son application aux petits systèmes ou aux courtes échelles de temps. Pour les systèmes plus grands et les simulations plus longues, des champs de force sont utilisés. Les recherches menées par A. Roose (HAL: hal-02083941v1), J. Lovric (HAL: hal-02002428v1) et R. Abouhaidar (HAL: hal-04322632v1) ont démontré l'efficacité de ces modèles dans les études atmosphériques (voir PCMT highlight pour plus de détails). De nouveaux champs de force pour les radionucléides, développés en collaboration avec M. Masella du CEA, incluent des termes de polarisation et de transfert de charge et sont essentiels pour une modélisation précise (HAL: hal-03726342v1, HAL: hal-03360947v1).

Dans la séparation des radionucléides, des champs de force classiques et polarisables précis ont été développés pour étudier les solutions d'alcanes et de monoamides, avec des données de simulation correspondant aux résultats expérimentaux (PhD A. Failali, HAL: hal-03481112v1; PhD E. Acher, HAL : hal-02189107v1).

La DM classique combinée à la DFT a reproduit les tendances expérimentales des énergies de liaison du noyau Cl (HAL : hal-03500186v2).

Propriétés et réactivité avec les méthodes hybrides QM/QM ou QM/MM

Pour les systèmes où les méthodes MD et AIMD classiques sont insuffisantes, les méthodes hybrides QM/MM (par exemple, ONIOM) et les approches QM/QM ont été utilisées dans les contextes atmosphériques et astrophysiques :

La détermination des énergies de liaison précises des atomes et des petites molécules (HAL : hal-03245237v1), qui est de la plus haute importance puisque ces quantités sont souvent mal connues, ce qui peut affecter les modèles de réaction de surface interstellaire, comme indiqué dans un article de synthèse (HAL : hal-03579914v1).
La réactivité de H₂ avec du formaldéhyde à la surface des glaces interstellaires cristallines et amorphes (HAL : hal-03614163v1)
L'ozonolyse de l'acide maléique à la surface et dilué dans des gouttelettes d'eau en aérosol (HAL : hal-04322632v1). En raison des faibles barrières, l'évaluation des constantes de vitesse de réaction a nécessité d'aller au-delà de la théorie habituelle de l'état de transition et inclut à la fois les effets tunnel variationnels et multidimensionnels, ce qui est difficile lorsque le nombre de degrés de liberté augmente. Conformément aux prédictions des modèles chimiques, il est démontré que la réactivité se produit dans la masse plutôt qu'à la surface. Des informations plus précises sur les prochaines étapes de la réaction (formation des intermédiaires de Criegge) sont actuellement étudiées à l'aide de l'AIMD, qui fournit une vue complémentaire introduisant les énergies thermiques et vibrationnelles.
De plus, la MD classique et la DFTB ont modélisé avec précision les effets d'adsorption des HAP sur les surfaces de glace (HAL : hal-02447448v1).