Un outil puissant pour étudier les mouvements moléculaires
Parmi les méthodes expérimentales utilisées pour sonder la structure moléculaire et la dynamique des matériaux multi-composants, la spectroscopie diélectrique est devenue un outil intéressant. La spectroscopie diélectrique couvre actuellement les fréquences du microhertz au térahertz, permettant l'étude d'une multitude de phénomènes en solutions aqueuses, de composites polymères et de cristaux ferroélectriques. Jusqu'à l'arrivée du projet SIDIS financé par l'UE (Simulation of dielectric spectra), les simulations dynamiques moléculaires standard étaient employées pour étudier le spectre de la permittivité diélectrique. Des méthodes de pointe capables de gérer des processus importants responsables de crêtes de spectres mais limitées dans le temps n'avaient pas encore atteint la spectroscopie diélectrique à large bande passante. Dans le cadre du projet SIDIS, les chercheurs ont tenté de combler ce fossé en complétant les simulations dynamiques moléculaires classiques avec des techniques d'échantillonnage améliorées pour explorer les évènements rares de manière efficace. Spécifiquement, dans leurs études du glycérol de soufflage de verre et dans les mélanges sel et liquide/eau ionique, ils ont combiné la méta-dynamique et le trempage parallèle. L'équipe a d'abord analysé le spectre diélectrique de neuf modèles populaires pour l'eau pour donner des conseils dans le choix du plus adéquat. Au niveau qualitatif, tous les modèles peuvent reproduire les principales caractéristiques du spectre. Toutefois, certains modèles de sont révélés mieux adaptés pour se rapprocher de la permittivité diélectrique et d'autres paramètres comme la fréquence de relaxation. Amenant ces découvertes à l'étape suivante, les chercheurs de SIDIS ont développé une nouvelle approche des simulations de la dynamique moléculaire pour déterminer l'abaissement de la permittivité diélectrique lorsque du sel est ajouté. Ils ont montré que ce changement est causé par la formation de paires d'ions. La connexion microscopique entre les paires d'ions et l'aspect des caractéristiques spécifiques du spectre diélectrique des solutions salines a également été clarifiée. En outre, en utilisant les simulations de la dynamique moléculaire de non équilibre, les chercheurs ont pu calculer le décrément sur les concentrations de sel qui n'étaient pas accessibles avec les approches classiques. Les recherches effectuées durant le projet SIDIS devraient faciliter l'utilisation de la spectroscopie diélectrique par davantage de chimistes, de physiciens et de scientifiques des matériaux.
Mots‑clés
Permittivité diélectrique, simulations de dynamique moléculaire, spectroscopie diélectrique, formation de paires d'ions
