Dans les structures confinées, comme les silices mésoporeuses, la mobilité et l'interaction des cations avec les surfaces sont des phénomènes clés. Ils guident les propriétés d'adsorption dont découlent de nombreuses applications, en particulier pour l’extraction et la séparation. Ce travail de thèse en modélisation propose de s'intéresser aux propriétés d'interface, d'équilibre et de transport qui pilotent l'échange ou l'adsorption ionique. Il s’agit de décrire la physico-chimie du processus d’adsorption de cations alcalins à la surface de silices chargée par une approche multiéchelle ayant une base moléculaire. Pour cela une étude de la série des alcalins (Li+, Na+, K+ et Cs+) a été menée. Le cadre théorique est la théorie de Mc Millan Mayer. Celle-ci, fondamentale pour les solutions libres s’est révélée également être une méthode de choix pour les milieux confinés. Le potentiel de force moyenne de McMillan Mayer entre les ions et des sites de surface a pu être calculé par la méthode d'Umbrella Sampling associé à l’algorithme WHAM. Le phénomène qui s’est révélé le plus pertinent correspond à la présence de paires au contact (Contact Ion Pairs - CIP) entre les oxygènes de la surface et les cations, sans molécule d’eau qui les sépare. Ces CIP se traduisent dans les courbes de potentiel par un premier minimum d’intensité supérieure à l’agitation thermique. Pour les petits ions (lithium), ce complexe de surface est particulièrement stable, les constantes d’adsorption et les temps de résidence étant particulièrement élevés, ce qui rend délicat la simulation moléculaire directe de ces phénomènes. Il a été observé une inversion de sélectivité entre les sites silanolates et siloxanes. L'adsorption est différente pour un ion cosmotrope comme Li+ qui doit se déshydrater pour s'adsorber et un ion chaotrope comme Cs+ qui est moins lié au solvant. Les constantes d’adsorption de chaque site de même type ne sont pas toutes égales. L’étude des phénomènes électrocinétiques (électro-osmose et conductivité de surface) a également été menée en comparant les descriptions classiques (modèles de Poisson-Boltzmann, de Smoluchowski, et de Bikerman) aux résultats de dynamique moléculaire. Il est apparu que l'image traditionnelle en plusieurs couches des interfaces (couches de Helmholtz internes et externes, de Stern, de Gouy-Chapman, plan de cisaillement) devait être remplacée par un modèle beaucoup plus simple mais plus efficace. Du point de vue des ions, deux domaines apparaissent : les CIP, globalement fixés à la surface transmettant la force électrique au solide et pas au fluide, et les autres ions, globalement libres, transmettant la force électrique au fluide. Aucune viscosité ou constante diélectrique dépendant de la distance n’a été mise en évidence. Une diminution de la mobilité des ions à proximité de la surface a en revanche été observée. Ce phénomène peut être quantitativement compris comme un effet hydrodynamique du à la présence des surfaces qui gênent le flux en retour du solvant. Ce travail permet ainsi de mieux caractériser l'interface verre chargé-solution pour les applications en science de la séparation. Il a pu montrer comment les simulations moléculaires pouvaient non seulement prédire les paramètres des modèles macroscopiques (constantes d’adsorption, coefficients de transport, etc.) mais surtout modifier ceux-ci pour les rendre en accord avec la description moléculaire. Une telle stratégie pourra par la suite être mise en œuvre sur des systèmes plus complexes, comme des modèles de surfaces greffées. / In confined structures, such as mesoporous silica, the mobility of the cations and the surface/cations interactions are key phenomena. They drive adsorption properties, which control numerous applications, especially for extraction and separation. This modelling work describes equilibrium and transport interface properties that control ion exchange and ionic adsorption. The physical and chemical properties of adsorption processes of alkali cations at the surface of charged silica is studied thanks to a multiscale approach based on a molecular description. The systematic study of alkali serie (Li+, Na+, K+ and Cs+) has been studied to that goal. The theoretical framework is Mc Millan-Mayer theory. The latter, which is known to be of fundamental significance for bulk solutions is found to be also relevant for confined media. The mean force potential of Mc Millan-Mayer between ions and surface sites has been calculated by Umbrella Sampling associated to the WHAM algorithm. The most important phenomenon we identified corresponds to the existence of Contact Ion Pairs (CIP) between the surface oxygen and the cations, without separating solvent molecules. The CIP correspond to the first minima in the potential curves if the associated energy is more than the thermal agitation (kT). For small ions (lithium) this surface complex is especially stable, adsorption constant and residence time being particularly high so that the direct molecular simulations are very difficult. A selectivity inversion has been observed between silanolates and siloxanes. Adsorption is different for kosmotropic ions (as Li+) which has to be dehydrated to be adsorbed and chaotropic ions (as Cs+) for which the solvent bound is weaker. Adsorption constants for sites of the same nature are not equal. The study of the electrokinetic phenomena (electro-osmosis and surface conductivity) has also been performed by comparing the classical descriptions (Poisson-Boltzmann, Smoluchowski, and Bikerman models) to molecular simulations. The traditional picture of the interface with several layers (inner and outer Helmholtz, Stern and Gouy-Chapman layers, shear plane) is found to be replaced by a simpler but more efficient model. For the ions, two domains are obtained: (i) CIPs, firmly bound to the surface that transmit the electrical force to the solid (and not the fluid) (ii) other ions that are globally free that transmit the electric force to the fluid. No space dependent viscosity or dielectric constant have been obtained. On the other hand, a decrease of ion mobility in the vicinity of the surface has been observed. This phenomenon can be quantitatively understood as a hydrodynamic effect that comes from the solid surface, which hinders the backflow of the solvent. This work allows a better characterization of charged glass-solution interfaces for separation science. It shows how molecular simulations can not only predict the parameters of macroscopic models (adsorption constant, transport coefficients), but also modify the latters in order to make them in agreement with molecular descriptions. Such a strategy can be extended to more complex systems, such as models of grafted surfaces.

Dans cette thèse, les propriétés de l'eau en présence d'ions dans des nanoconfinement à base de silice ont été étudiées. L'objectif principal est de relier ces propriétés à l'évolution des matériaux mésoporeux de silice dans les solutions aqueuses. Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé une approche originale consistant à remplir avec des solutions électrolytiques comportant des ions ayant des propriétés kosmotropes différentes, XCl2 (X = Ba, Ca, Mg) des systèmes modèles tels que deux surfaces de silice parallèles et planes espacées de 3 et 5 nm (nanocanaux) et des silices à mesoporosité ordonnée comme les silices SBA-15 (6 nm de taille pores et murs des pores microporeux) et MCM-41 (3 nm de taille de pores et murs des pores denses).Les résultats obtenus indiquent que la cinétique de remplissage des nanocanaux dépend de la taille du confinement, de la nature des ions et de la solubilité des sels associés aux électrolytes. Dans certains cas, le remplissage incomplet des nanocanaux peut s'expliquer par une diminution de la dynamique de l'eau associée à l’atteinte de la saturation vis-à-vis des sels XCl2 dans la couche interfaciale. La possible précipitation de phases XCl2 pourrait permettre d’expliquer le bouchage de certains nanocanaux. Par la suite, les propriétés de l'eau dans des nanoconfinement concave de silice tels que les cylindres ont également été étudiées. La structure de l’eau en présence d’ions et sa dynamique à l’échelle de la picoseconde caractérisées respectivement par FTIR-ATR et diffusion quasi élastique des neutrons, ont été analysées. Les résultats suggèrent que les propriétés structurales et dynamiques de l'eau sont fortement influencées par la taille du confinement, le caractère kosmotrope des ions et l'excès d'ions dans la couche interfaciale.Enfin, nous avons déterminé l’évolution des deux silices mésoporeuses dans des solutions électrolytiques par diffusion des rayons X aux petits angles. Pour une taille de pore de 3 nm et des murs de pores denses (MCM-41), une dynamique de l’eau lente à une échelle picoseconde conduit probablement à une sursaturation des ions dans la couche interfaciale et donc à une reprécipitation des sels XCl2 et / ou de la silice plus stable. Dans ce cas, l'évolution du MCM-41 est induite par un processus de dissolution-recondensation / précipitation. Dans les plus grands mésopores du SBA-15, en raison de la microporosité dans la paroi des pores, le processus d'altération est différent. Dès le début, une couche d'altération se forme et la taille des pores augmente jusqu'à saturation de la silice. Par la suite, un processus de recondensation / précipitation similaire à celui observé dans la MCM-41 se produit dans la microporosité. Ces deux types d'évolutions en silice pourraient persister jusqu'à l'obtention d'une phase de silice thermodynamiquement stable. / In this study, we investigated the water properties in the presence of ions in silica nanoconfinement. The main objective is to relate these water properties to the evolution of silica mesoporous materials in aqueous solutions. To reach this goal, we used an original approach, consisting in the use of electrolyte solutions having ions with various kosmotropic property XCl2 (X = Ba, Ca, Mg) confined in model systems such as two parallel and plane silica surfaces spaced of 3 and 5 nm (nanochannels) and highly ordered mesoporous silica materials represented by SBA-15 (6 nm pore size and microporous pore wall) and MCM-41 (3 nm pore size and dense pore wall).The obtained results indicate that the filling kinetics in nanochannels is driven by the size of the confinement, the nature of ions and the salt solubility of electrolytes. In some cases, the incomplete filling of the nanochannels may be explained by a decrease of water dynamics associated to the saturation of XCl2 salts into the interfacial layer. The possible precipitation of XCl2 phases may explain an incomplete filling by a nanochannels clogging.Thereafter, the water properties in nanoconfinement made of silica concave surface such as cylinders were studied. The water structure and dynamics at a picosecond scale in presence of ions were respecteively characterized by infrared spectroscopy and quasi-elastic neutron scattering. The results suggest that the structural and dynamical water properties are strongly affected by the size of the confinement, the kosmotropic properties of ions and the surface ion excess in the interfacial layer.Finally, we characterized the evolution of the two mesoporous silica in electrolyte solutions using in-situ small-angle X-ray scattering. For 3 nm pore size and dense pore wall (MCM-41), the slow dynamics at a picosecond scale probably lead to a supersaturation of ions in the interfacial layer and thus, to a reprecipitation of XCl2 salts and/or silica phases. In that case, the evolution of the MCM-41 is driven by a dissolution-recondesation/precipitation process. In the bigger mesopores of SBA-15, due to the microporosity in the pore wall, the alteration process is different. During a first stage, an alteration layer is formed and the pore size increases until the silica saturation. Afterwards, a similar recondensation/precipitation process as observed in MCM-41 occurs into the microporosity. These two types silica evolutions could persist until the formation of a thermodynamic stable silica phase.

"Water behavior in pure silicalite and Dealuminated Zeolite Y (DAY), two highly hydrophobic zeolites, was investigated at different temperatures in the range 100-600 K by molecular dynamics simulations. The Compass forcefield was used to carry out the study. A full flexibility of water molecules and of the zeolite framework was considered. The results show that water behavior is more complex in silicalite than in zeolite DAY. Three different activation energies for water diffusion were obtained in silicalite in the range 250-600 K compared to two for DAY. The values of these activation energies are discussed in detail and are related to the hydrogen bond‘s strength and the zeolite structure. Moreover, from the radial distribution functions (rdfs), it is shown that water mostly exists in the gas phase at room temperature in silicalite whereas liquid water is observed in DAY in agreement with previous experimental observations. The self-diffusion coefficients of water and the rdfs are obtained as a function of temperature in order to explain the behavior differences of water in the two all-silica zeolites. The loading influence on the self-diffusion coefficients is also investigated for both crystals. The results are compared with previous experimental and theoretical studies."

L’étude des fluides complexes présente un grand intérêt de par la richesse des phénomènes que font intervenir leur écoulement. Une étude de rhéologie locale de systèmes de micelles géantes en microcanal droit est effectuée. L’expérience montre que les propriétés du fluide soumis à un fort gradient de contrainte ne peuvent être décrites que par une équation rhéologique comportant des termes non locaux. Nous montrons alors l’influence du système de micelles géantes, du confinement ainsi que de la nature des surfaces du microcanal sur ces effets non locaux. Une étude des phénomènes temporels intervenant dans ces écoulements en microcanaux est alors proposée, ainsi qu’une étude préliminaire concernant les écoulements dans des milieux poreux modèles. / The study of complex fluids flows is of great interest according to the diversity of phenomenon it involves. A study of the local rheology of wormlike micelles flowing in a simple straight microchannel is proposed. Experiments show that the properties of such a fluid undergoing a strong shear stress gradient can only be described by an equation including non local terms. We thereafter show the influence of the wormlike micelles system, of the confinement and of the nature of the microchannel walls on those non local effects. A study of the temporal phenomenon occurring in microfluidic flows of wormlike micelles is then proposed, as well as a preliminary study concerning flows in porous media.

Pour les structures aéronautiques, les zones sensibles à la corrosion sont principalement celles où le plan de protection de la structure peut être mis en défaut, comme à l’intérieur des joints de recouvrement (dénommé «lap joint» en anglais). Les assemblages de tôles métalliques réalisés par recouvrement en utilisant, par exemple le rivetage, peuvent présenter des défauts de contact et donc il peut exister un interstice entre les deux parties de l’assemblage. En général cet interstice est isolé de l’environnement extérieur par un mastic. Mais il y a un risque de piégeage d’humidité plus ou moins concentrée en ions agressifs qui peut provoquer des endommagements ou aggraver ceux initiés sur des défauts des revêtements. Le premier objectif de cette thèse est de développer une méthodologie permettant de reproduire, de manière contrôlée et de façon la plus représentative de cas réels, la corrosion d’un alliage d’aluminium 2024-T3 constituant un joint de recouvrement afin d’effectuer des observations complétées par des mesures chimiques et électrochimiques. Le deuxième objectif est de tester l’application de modèles de transport réactif (en milieu confiné) pour voir s’il est possible de simuler les réponses (chimiques ou électrochimiques) mesurées expérimentalement et donc de prédire sur le long terme l’évolution d’un assemblage. / For aircraft structures, corrosion sensitive areas are mainly those where the protection of the structure may suffer local breakdowns, as encountered inside lap joints. The assemblies of metal plates by overlapping (riveting) may present some defects in contact and consequently a gap can exist between the two parts of the assembly. Typically this gap is isolated from the outside environment by a sealant. But there is a risk of trapping of moisture more or less concentrated in aggressive ions which can induce corrosion or increase the damages initiated on coating defects. The first objective of this thesis is to develop a methodology to reproduce in a controlled manner and in the most representative way regarding actual cases, the corrosion of a lap joint made of aluminum alloy 2024- T3 plates, to perform not only observations but also chemical and electrochemical measurements. The second objective is to test the application of reactive transport models (in confined media) to check if it is possible to simulate the chemical or electrochemical changes recorded during experiments and thus to predict the long-term evolution of lap-joint in humid environment.