Multi-scale modelling of ions in solution : from atomistic descriptions to chemical engineering - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2011

Multi-scale modelling of ions in solution : from atomistic descriptions to chemical engineering

Modélisation multi-échelle des ions en solution : des descriptions atomiques jusqu'au génie chimique

(1)
1

Abstract

Ions in solution play a fundamental role in many physical, chemical, and biological processes. For industrial applications these systems are usually described using simple analytical models which are fitted to reproduce the available experimental data. In this work, we propose a multi-scale coarse graining procedure to derive such models from atomistic descriptions. First, parameters for classical force-fields of ions in solution are extracted from ab-initio calculations. Effective (McMillan-Mayer) ion-ion potentials are then derived from radial distribution functions measured in classical molecular dynamics simulations, allowing us to define an implicit solvent model of electrolytes. Finally, perturbation calculations are performed to define the best possible representation for these systems, in terms of charged hard-sphere models. Our final model is analytical and contains no free "fitting" parameters. It shows good agreement with the exact results obtained from Monte-Carlo simulations for the thermodynamic and structural properties. Development of a similar model for the electrolyte viscosity, from information derived from atomistic descriptions, is also introduced.
Les ions en solutions ont un rôle fondamental dans de nombreux processus physiques, chimiques et biologiques. Dans le cadre des applications industrielles, l'ingénieur les décrits par des modèles analytiques simples, qui sont paramétrisés et ajustés afin de reproduire des données expérimentales. Dans ce travail, nous proposons une procédure multi-échelle à gros-grains pour obtenir ces modèles simples à partir de descriptions atomiques. D'abord, les paramètres de forces classiques pour des ions en solutions sont extraits de calculs ab-initio. Des potentiels effectifs (McMillan-Mayer) ion-ion sont ensuite obtenus à partir des fonctions de distribution de paire mesurées dans des simulations de dynamique moléculaire. Avec ces potentiels effectifs, nous pouvons établir une description à solvant continu des électrolytes. Finalement, nous mettons en œuvre un calcul de perturbation, pour définir la meilleure représentation possible pour ces systèmes, en termes de sphères dures chargées (éventuellement associées). Le modèle final ainsi obtenu est analytique et il ne contient pas de paramètres ajustables. On montre qu'il est en bon accord avec les résultats exacts obtenus par des simulations Monte-Carlo pour la structure et la thermodynamique. La thèse se termine en proposant la mise au point d'une analyse similaire pour la viscosité des électrolytes, obtenue à partir d'une base moléculaire
Fichier principal
Vignette du fichier
MOLINA_manuscrit.pdf (8.49 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates and versions

tel-00825566 , version 1 (24-05-2013)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00825566 , version 1

Cite

John Jairo Molina. Multi-scale modelling of ions in solution : from atomistic descriptions to chemical engineering. Analytical chemistry. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. English. ⟨NNT : 2011PA066363⟩. ⟨tel-00825566⟩
284 View
739 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More