Soutenance de thèse de Félix Mouhat

Félix Mouhat, doctorant dans l'équipe Physique des systèmes simples en conditions extrêmes (PHYSIX), soutient sa thèse le vendredi 7 septembre 2018 à 9 h 30.

IMPMC - Sorbonne Université - 4 place Jussieu, 75005 Paris, tour 23, 4e étage, couloir 22-23, salle 401

Dynamique entièrement quantique d'agrégats d'eau protonés

Résumé

Il  n’existe  encore  aucune  théorie  aujourd’hui   capable  de  proposer  une description  précise et  quantitative du  transfert de proton  en solution.  En  effet, la complexité  de ce problème provient de la grande diversité des interactions existant dans l’eau liquide, à savoir : des interactions non  liantes  de  type  Van  der  Waals,  des  liaisons  faiblement  covalentes  et  des liaisons hydrogènes remarquablement fortes. Ces dernières sont à l’origine des nombreuses propriétés fascinantes de l’eau à l’échelle macroscopique. À cela s’ajoutent les effets quantiques nucléaires  dus  à  la  faible  masse  de  l’hydrogène,  qui  modifient  profondément  la  nature  de la  surface  d’énergie  potentielle  et  les effets thermiques. Dans  cette  thèse,  nous  proposons une  approche  tout  quantique basée  sur  une  description  quasi  exacte  de la fonction  d’onde électronique par l’utilisation  de méthodes Monte Carlo Quantique (QMC). Notre nouvelle technique  combine le QMC avec une dynamique  moléculaire de type Langevin en utilisant le formalisme des intégrales de chemin de Feynman.  Ceci permet de faire des simulations tout quantique avec une précision inédite de systèmes de taille relativement grande en phase gaz ou en solution, à température finie. Nous appliquons notre approche à des agrégats  d’eau neutres ou protonés  pour apporter de nouveaux  éclaircissements  sur les phénomènes  microscopiques régissant  la  diffusion  du  proton  dans  de  tels  systèmes.  En  particulier, nous  avons  étudié l’hexamère d’eau protoné  comme modèle décrivant  un proton  en excès en solution  aqueuse. Nous avons découvert  que le taux  de transfert de proton  est optimal  pour des températures proches des conditions  ambiantes, du fait de la compétition  subtile entre les effets thermiques et quantiques nucléaires.

Abstract

There  is no theory  up to now able to provide an accurate  and quantitative description  of the proton transfer (PT) yet.  Indeed, the complexity of this problem stems from the large diversity of the existing interactions in liquid water,  namely:  non bonding Van der Waals interactions, weakly covalent bonds and  remarkably strong  H-bonds.  The  latter  ones are at  the  origin of the  numerous  fascinating  properties  of water  at  the  macroscopic  scale.  In addition  to such interactions, the nuclear quantum effects arising from the hydrogen light mass deeply modify the potential energy surface and thermal  effects, and must be taken into account.  In this thesis, we propose a fully quantum approach  based on an almost  exact description  of the electronic wave function  by means  of Quantum Monte  Carlo  (QMC)  methods.   Our  novel technique combines QMC with a Langevin-based  Molecular Dynamics and the Feynman’s  path  integral formalism.   This  allows one to  perform  fully quantum simulations  with  an  unprecedented level of accuracy  of moderate  size systems in gas or condensed phase,  at  finite temperature. We apply  our approach  to neutral  or charged  protonated water  clusters  to shed light on the microscopic phenomena  driving the  proton  diffusion in such systems.  In particular, we have studied  the  protonated water  hexamer  as a model describing  an  excess proton  in aqueous solution.  We discovered that  the proton  hopping is optimal for temperatures close to ambient conditions,  due to the subtle  competition  between thermal  and nuclear quantum effects.

Jury

• Magali Benoit, DR (CEMES, Toulouse) -- Rapporteur
• Nathalie Vast, Ingénieur (Ecole Polytechnique, Palaiseau) -- Rapporteur
• Pascal Viot, Professeur (LPTMC, Sorbonne Université) -- Examinateur
• Dominik Marx, Professeur (Ruhr Universitaet, Bochum) -- Examinateur
  
• Leonardo Guidoni, Professeur associé (Università degli Studi dell' Aquila) -- Examinateur
• Marco Saitta, Professeur (Sorbonne Université, Paris) -- Directeur de thèse
• Michele Casula, CRCN (Sorbonne Université, Paris) -- Co-directeur de thèse
• Rodolphe Vuilleumier, Professeur (ENS-Sorbonne Université, Paris) -- Membre invité