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Stage de M2 : Simulations mésoscopiques des fluctuations du gradient de champ électrique dans les électrolytes pour interpréter la relaxation RMN

par Emilie Secret - 4 novembre 2020

Les fluctuations des quantités physiques sont souvent considérées comme du "bruit", que l’on cherche à minimiser par rapport au "signal". Pourtant, ces fluctuations reflètent les propriétés microscopiques du système étudié, et pourraient donc en principe constituer une source d’information - à condition de pouvoir les interpréter. Le sujet de ce stage s’inscrit dans un projet visant à exploiter l’idée bien connue en physique de la matière condensée que "le bruit est le signal" [1], pour "écouter le bruit électrique" dans les électrolytes bulk, aux interfaces ou confinés, grâce à différentes approches de simulation, pour interpréter diverses expériences dont les mesures reflètent différentes facettes de la dynamique des ions.

Pour ce stage, on cherchera plus particulièrement à déterminer les informations qui peuvent être extraites d’expériences de relaxométrie RMN sur la dynamique multi-échelle d’ions individuels. Pour les noyaux quadrupolaires, la relaxation de la magnétisation reflète les fluctuations du gradient de champ électrique ressenti par le noyau [2]. Nous avons déjà montré au laboratoire comment les simulations de dynamique moléculaires permettent de faire des prédictions quantitatives du temps de relaxation RMN d’ions alcalins et alcalino-terreux à dilution infinie, et de préciser le rôle des fluctuations de leur sphère de solvatation sur cette relaxation [3]. Cependant d’autres mécanismes microscopiques contribuent également à cette relaxation lorsque d’autres ions sont présents, en présence d’interfaces ou dans des milieux poreux. Ces phénomènes interviennent sur des échelles d’espace plus grandes et des temps plus longs. Au cours de ce stage, on abordera ces effets par des simulations de dynamique de Langevin et/ou des simulations mésoscopiques sur réseaux [3]. La possibilité d’extraire des informations sur ces mécanismes à partir de données expérimentales sera étudiée en collaboration avec des expérimentateurs du laboratoire PHENIX experts en relaxométrie RMN.

L’étude reposera sur des simulations de dynamique de Langevin, avec des ions explicites dans un solvant implicite et/ou des simulations mésoscopiques sur réseaux (Lattice Boltzmann Electrokinetics et méthode de propagation des moments, avec le code LABOETIE développé au laboratoire [4]) où les ions sont aussi décrits de façon implicite. Pour les deux approches, des développements de code seront nécessaires pour le calcul du gradient de champ électrique, ainsi que pour l’analyse des résultats de simulation.

Contact benjamin.rotenberg@sorbonne-universite.fr

Période de stage : fin janvier / début février à juin/juillet 2021

Le stage pourrait être poursuivi par une thèse dans le cadre du projet ERC SENSES (https://cordis.europa.eu/project/id...).

Les références [3, 4, 5] sont issues du laboratoire PHENIX. [1] Landauer, Nature 392, 658 (1998). [2] Kowalewksi et al. Nuclear spin relaxation in liquids : Theory, experiments and applications (2006). Ed. Taylor & Francis. [3] Carof et al., J. Phys. Chem. B 118, 13252 (2014) ; Carof et al., J. Chem. Phys. 143, 194504 (2015) ; Carof et al., J. Chem. Phys. 145, 124508 (2016). [4] Asta et al., Mol. Phys. 116, 2965 (2018) ; Asta et al., J. Chem. Phys. 151, 114104 (2019) [5] https://github.com/benrotenberg/laboetie