Modélisation moléculaire des interfaces air-eau et air-glace: adsorption de molecules d'intérêt atmosphérique // molecular modeling of air-water and air-ice interfaces: adsorption of molecules of atmospheric interest

Topic description

L'ammoniac (NH₃) est le gaz alcalin à l'état de traces le plus abondant dans l'atmosphère et joue un rôle central dans le contrôle du pH des nuages et des aérosols. C'est également un précurseur important des oxydes d'azote
tels que l'oxyde nitreux (N₂O), et ses interactions avec les gaz acides à l'état de traces sont des facteurs clés de la nucléation et de la formation d'aérosols secondaires dans la troposphère supérieure. Malgré cette
pertinence, il manque encore une compréhension mécanistique unifiée de la manière dont le transfert de protons influence l'absorption du NH₃
sur la glace, en particulier le rôle des liaisons hydrogène et la formation d'enveloppes de solvatation à l' interface air-glace. De plus, le comportement des gaz à l'état de traces alcalins tels que le NH₃
à cette interface a reçu peu d'attention.
Les études de co-adsorption à des températures atmosphériques pertinentes sont rares et se sont largement
concentrées sur les gaz acides. Le dioxyde de carbone (CO₂), par exemple, présente une absorption importante sur la glace, qui augmente fortement à mesure que les températures approchent du point de fusion en raison d'un
désordre interfacial accru. Il est donc essentiel de comprendre l'absorption du CO₂ sur la glace en présence de NH₃ pour évaluer la contribution potentielle de la neige et de la glace au cycle du carbone.
En chimie atmosphérique, la nature partiellement liquide de l'interface air-glace a suscité un vif débat, notamment en ce qui concerne la validité de la description des réactions interfaciales à l'aide de la cinétique et des mécanismes en phase aqueuse. Étant donné que la force des liaisons hydrogène influence fortement les interactions chimiques interfaciales, cet aspect sera également examiné.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Ammonia (NH₃) is the most abundant alkaline trace gas in the atmosphere and plays a central role in controlling the pH of clouds and aerosols. It is also an important precursor of nitrogen oxides such as nitrous oxide (N₂O), and its interactions with acidic trace gases are key drivers of nucleation and secondary aerosol formation in the upper troposphere. Despite this relevance, a unified mechanistic understanding of how proton transfer influences NH₃ uptake on ice—particularly the role of hydrogen bonding and the formation of solvation shells at the air–ice interface—remains lacking. Moreover, the behavior of alkaline trace gases such as NH₃ at this interface has received little attention.
Co-adsorption studies at atmospherically relevant temperatures are scarce and have largely focused on acidic gases. Carbon dioxide (CO₂), for example, exhibits significant uptake on ice, which increases strongly as temperatures approach the melting point due to enhanced interfacial disorder. Understanding CO₂ uptake on ice in the presence of NH₃ is therefore essential for assessing the potential contribution of snow and ice to the carbon cycle.
In atmospheric chemistry, the partially liquid-like nature of the air–ice interface has prompted extensive debate, particularly regarding the validity of describing interfacial reactions using aqueous-phase kinetics and mechanisms. Because hydrogen-bond strength strongly influences interfacial chemical interactions, this aspect will also be examined in the context of the relevant adsorbates.
This thesis aims to deliver a molecular-level understanding that complements ongoing experimental work by our collaborators Thorsten Bartels-Rausch and Markus Ammann at PSI within the IRP project CETIMPAI. Using a combination of classical and quantum mechanical simulation approaches (CMD, AIMD, QM/MM, etc.) in collaboration with Ivan Gladich (DiSPeA, University of Urbino), the project will examine the co-adsorption of ammonia at the air–ice interface, resolve its specific interactions with dangling OH groups, and provide a detailed molecular description of interfacial structure and dynamics. Depending on the progress of the research, the development or application of machine-learning potentials may also be explored.

Any other relevant information: Collaboration avec l'équipe de Markus Ammann (PSI, Villigen) et Ivan Gladich Department ofPure and AppliedSciences (DiSPeA, University of Urbino 'CarloBo” (Italie))
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/
WEB :

Funding category

Funding further details

Financement d'un établissement public Français