Topic description
Les propriétés macroscopiques d'hydrophilicité ou d'hydrophobicité d'un matériau en termes d'affinité à l'eau (attirance ou répulsion de l'eau) sont bien connues. On sait bien moins caractériser ces états hydrophiles ou hydrophobes à l'échelle moléculaire (microscopique). En particulier, la structure des premières couches d'eau à l'interface avec un matériau solide hydrophile ou hydrophobe reste encore une énigme à déchiffrer à l'échelle de l'organisation des molécules d'eau entre elles et entre ces molécules d'eau et la surface du matériau.1 L'autre énigme est de rationaliser l'organisation structurale de l'eau interfaciale quelle que soit la composition de la surface du matériau au contact de l'eau, et quelles que soient les conditions de pH et de concentrations en électrolytes de la solution aqueuse par exemple. La dernière énigme est de comprendre s'il est possible de prédire cette organisation de l'eau sans mesures : ni simulations, ni expériences.
La résolution de ces énigmes constitue le travail de thèse, qui mettra en œuvre des méthodes théoriques par simulations de dynamiques moléculaires (à la fois ab initio de type DFT-MD et classique par champs de forces de type FF-MD), des méthodes théoriques de topologie de graphes et des méthodes d'apprentissage de graphes par IA. Nous nous intéresserons à l'eau au contact d'oxydes comme SiO2 (oxyde de silicium), Al2O3 (oxyde d'aluminium), Co3O4 (oxyde de cobalt).
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English Version:
The macroscopic properties of a material in terms of hydrophilicity or hydrophobicity—defined by its affinity for water (attraction or repulsion)—are well established. In contrast, these hydrophilic or hydrophobic states are far less well characterized at the molecular (microscopic) scale. In particular, the structure of the first layers of water at the interface with a hydrophilic or hydrophobic solid material remains an unresolved puzzle, especially in terms of the organization of water molecules with respect to one another and their interactions with the material surface.¹ A second challenge is to rationalize the structural organization of interfacial water regardless of the chemical composition of the surface in contact with water, and irrespective of conditions such as pH or electrolyte concentration in the aqueous solution. A final challenge is to determine whether this organization of water can be predicted without direct measurements—that is, without relying on simulations or experiments.
Addressing these challenges constitutes the core of the PhD project, which will employ theoretical approaches based on molecular dynamics simulations (both ab initio methods such as DFT-MD and classical force-field molecular dynamics, FF-MD), graph-theoretical topology methods, and graph-based machine learning approaches using artificial intelligence. The study will focus on water in contact with oxide surfaces such as SiO₂ (silicon dioxide), Al₂O₃ (aluminum oxide), and Co₃O₄ (cobalt oxide).
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Début de la thèse : 01/10/
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Contrats ED : Programme blanc GS-Chimie
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