Molecular modeling of physico-chemical properties in microporous solids
Modélisation moléculaire des propriétés physico-chimiques de matériaux microporeux
Résumé
During my PhD I conducted studies based on molecular simulation methods to study two types of materials: zeolites, already used industrially and Metal-Organic Frameworks (MOFs), which present a lot of potential for applications, though their commercial use is still to be developed. Zeolites, known since 1756 and synthesized since the 40s, have not been much studied in terms of their mechanical behaviour until less than 15 years ago. Yet some of these porous aluminosilicates have fascinating mechanical properties called anomalous properties, such as negative linear compressibility or auxeticity. Using a large structural database of hypothetical zeolites, I linked their structural descriptors and mechanical properties and developed a methodology allowing to screen this type of materials looking for auxeticity.
MOFs have essentially been studied as crystalline materials. Yet their amorphization is very interesting whether to study its mechanism or for potential applications of the amorphous phases obtained. I have been interested in characterizing the melting and quenching of some of these materials. In particular, using quantum molecular simulations, I unraveled the mechanism behind the melting, characterized the nature of the liquid phase and showed the links between the initial topology, the melting behaviour and the resulting glass-like phase. I also modelled the filling of one of these materials with carbon dioxide, its influence on the melting and the way it could be trapped inside the amorphous phase.
Durant ma thèse j’ai réalisé des études en utilisant les méthodes de simulation moléculaire pour étudier des matériaux déjà utilisés industriellement, comme les zéolithes, ou qui pourraient l’être dans le futur, tels que les matériaux poreux à charpente organométallique appelés Metal-Organic Frameworks (MOFs). Les zéolithes, connues depuis 1756 et synthétisées depuis les années 40, n’ont vu leur comportement mécanique étudié sur le plan théorique que récemment. Or certains de ces aluminosilicates poreux présentent des propriétés mécaniques dites anomales, tel que l’auxéticité. À l’aide d’une base de données structurales, j’ai relié les propriétés structurales de ces matériaux à leurs propriétés mécaniques et j’ai développé une méthodologie permettant de prédire l’auxéticité dans ces matériaux.
Les MOFs ont essentiellement été étudiés sous leur forme cristalline. Or leur amorphisation présente un intérêt tant sur le plan des processus que de part le potentiel d’applications des phases amorphes obtenues. Je me suis intéressé à la fusion et à la trempe de certains de ces matériaux. À l’aide de simulations moléculaires quantiques, j’ai montré quel était le mécanisme à l’œuvre lors de la fusion, caractérisé la nature du liquide et les liens existant entre la topologie initiale du matériau, son comportement lors de la fusion et le verre. J’ai aussi modélisé le remplissage d’un de ces matériaux par du dioxyde de carbone, son influence sur la fusion et la façon dont il pourrait être piégé dans la phase amorphe.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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