Doctorat en physicochimie pour comprendre la dynamique de l’eau et des solutés dans les argiles en conditions insaturées (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

Comprendre la dynamique de l’eau et des solutés dans les argiles en conditions insaturées : intégration de la dynamique moléculaire à l’échelle de l’arrangement des plaquettes d’argiles

Les argiles sont des constituants importants des sols. Les particules d’argiles sont constituées d'empilements de feuillets d'aluminosilicates de tailles variables. Ces particules forment elles-mêmes des agrégats. Ainsi, les argiles présentent des pores de différentes tailles, qui dans dans des conditions non perturbées, sont saturés en eau. Dans le contexte du stockage souterrain des déchets radioactifs dans un milieu géologique argileux (ex : projet Cigéo en France), le creusement des galeries, la radiolyse de l’eau ainsi que la corrosion des aciers conduira à une inclusion de gaz (air, H2 etc) dans les pores du milieux naturel créant des conditions partiellement saturées liquide-gaz au sein des pores.
Lors du projet Darius, financé par le programme CNRS NEEDS (Nucléaire : Énergie, Environnement, Déchets, Société), qui vise à mieux comprendre l’effet de la saturation partielle en eau du réseau poral argileux sur la diffusion de l’eau et des ions à différentes échelles spatiales et temporelles, un verrou scientifique majeur a été identifié : les coefficients de diffusion mesurés en conditions insaturées sont bien inférieurs à ceux issus des simulations de dynamique brownienne, alors que ces dernières reproduisent correctement les expériences en conditions saturées. Pour résoudre cette incohérence, ce travail de thèse propose d’explorer plus en détail la localisation et la dynamique de l’eau dans les milieux poreux argileux insaturés, à l’échelle de l’arrangement des particules argileuses.
En effet, l’approximation capillaire classique, utilisée dans les simulations de dynamique brownienne pour déterminer la taille des pores en-dessous de laquelle les pores sont complètement hydratés, et le modèle d’adsorption multicouches pour décrire l’hydratation des surfaces des plus gros pores, pourraient s’avérer inadéquates. En particulier toutes les surfaces sont traitées de la même façon dans les simulations, alors que les surfaces latérales et basales des feuillets d’argile sont très différentes d’un point de vue cristallographiques. Par ailleurs la charge négative intrinsèque des feuillets, compensée par la présence de contre-ions en surface, induit un champ électrostatique, structurant le fluide sur plusieurs couches moléculaires, avec une portée dépendant de la force ionique.
Ainsi, nous simulerons dans un premier temps par dynamique moléculaire et Monte Carlo des feuillets finis formant des angles dièdres, ou des pores délimités par des bordures de feuillets, en présence d’eau et d’ions. Les objectifs incluent : (i) l’évaluation de la validité de l’approximation capillaire dans les pores formés par des surfaces basales, selon l’argile et la composition de la solution, et (ii) l’étude de la répartition de l’eau dans des pores de géométries variables (dièdres, bordures) selon le taux de désaturation et les conséquences sur la diffusion des espèces.
Dans un second temps, les résultats des simulations moléculaires seront implémentés dans les simulations de dynamique brownienne aux échelles supérieures, qui seront ensuite confrontées à l’expérience. L’influence de la présence de H₂ (gaz ou dissous), émis lors de la corrosion des aciers de colis, pourra également être explorée.
Les simulations à l’échelle moléculaire débuteront avec le champ de force ClayFF, non polarisable, qui décrit précisément les bords de feuillets (Pouvreau et al., J. Phys. Chem. C 2017; 2019), puis avec le champ PIM polarisable, développé au laboratoire (Tesson et al, J. Phys. Chem. C 2016; 2018). En effet, la structuration du fluide sur de plus longues distances et les différences de comportement entre PIM et ClayFF, observées dans Darius et avant (Lecrom S. et al., J. Phys. Chem. C 2020; Guérin et al., Clays Clay Miner 2025), pourraient affecter la mouillabilité des différents types de surfaces et pourrait bien induire des effets inattendus sur l’hydratation des pores.

Votre Environnement de Travail

Le laboratoire PHENIX (PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX) se situe à Paris sur le campus de Jussieu. La thèse se déroulera au sein de l'équipe Modélisation et Dynamique Multi-échelle (https://phenix.cnrs.fr/themes-de-recherche/modelisation-et-experiences-multi-echelles/en-savoir-plus-sur-lequipe-mem/).

Les simulations avec le champ de force PIM polarisable se feront en collaboration avec S. Le Crom de Subatech (Nantes), qui contribue au développement de ce champ de force. Les simulations en dynamique browienne à l’échelle mésoscopique s’effectueront en collaboration avec E. Ferrage de l’IC2MP (Poitiers).

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

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À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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