Modélisation atomistique des phénomènes d'altération à la surface des verres silicatés // Atomistic modeling of alteration phenomena at the surface of silicate glasses

Les verres silicatés possèdent des propriétés remarquables telles que la transparence, la durabilité chimique et la stabilité thermique, ce qui les rend essentiels dans de nombreux domaines, notamment l'optique, l'électronique, le bâtiment et le stockage des déchets nucléaires. Cependant, ces propriétés peuvent se dégrader au fil du temps car, dans la plupart des applications, le verre est exposé à des environnements agressifs, notamment en présence d'eau.

Comprendre les mécanismes d'altération et de corrosion des verres à l'échelle atomique constitue donc un enjeu fondamental, tant sur le plan scientifique qu'industriel. L'altération aqueuse du verre implique divers processus réactionnels à l'échelle atomique, tels que l'hydratation, l'hydrolyse, les échanges d'ions et la dissolution du réseau. En raison de la structure désordonnée de ces matériaux, les techniques expérimentales ne permettent qu'une description limitée de ces processus. Les simulations atomistiques se révèlent alors être un outil précieux pour affiner la compréhension de l'altération à l'échelle microscopique.

L'objectif de cette thèse sera d'utiliser des simulations atomistiques (classiques et ab initio) afin de dresser une cartographie détaillée des mécanismes d'échange élémentaire entre l'eau et les différents sites structuraux du verre.
En s'appuyant sur des modèles de surfaces sèches plus réalistes – tant en termes de taille que de protocole d'élaboration – une attention particulière sera portée à l'influence des hétérogénéités de surface (gradients de composition, défauts étendus) sur la réactivité du matériau. Par ailleurs, une large gamme de compositions verrières sera étudiée afin d'analyser l'impact de la nature et de la concentration des oxydes modificateurs (alcalins et alcalino-terreux), ainsi que le rôle de la connectivité du réseau silicaté ou aluminosilicaté sur l'altération du verre. À partir des relations structure-propriété issues des simulations, cette étude pourrait conduire à l'identification de critères de formulation de verres plus durables et mieux adaptés à leur environnement d'usage. Le travail envisagé s'appuie sur des recherches exploratoires menées en collaboration avec Saint Gobain Recherche Paris.
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Silicate glasses possess remarkable properties such as transparency, chemical durability, and thermal stability, making them essential in various fields, including optics, electronics, construction, and nuclear waste storage. However, these properties can degrade over time because, in most applications, glass is exposed to aggressive environments, particularly in the presence of water.

Understanding the mechanisms of glass alteration and corrosion at the atomic scale is therefore a fundamental challenge, both scientifically and industrially. Aqueous alteration of glass involves various atomic-scale reaction processes, such as hydration, hydrolysis, ion exchange, and network dissolution. Due to the disordered structure of these materials, experimental techniques provide only a limited description of these processes. Atomic-scale simulations thus prove to be a valuable tool for refining the understanding of alteration phenomena at the microscopic level.

The objective of this thesis will be to use atomic-scale simulations (both classical and ab initio) to create a detailed map of the elementary exchange mechanisms between water and the different structural sites of the glass. By relying on more realistic dry surface models – in terms of both size and preparation protocol – particular attention will be paid to the influence of surface heterogeneities (composition gradients, extended defects) on the material's reactivity. Additionally, a wide range of glass compositions will be studied to analyze the impact of the nature and concentration of modifying oxides (alkali and alkaline earth) and the role of the connectivity of the silicate or aluminosilicate network on glass alteration. Based on the structure-property relationships derived from the simulations, this study could lead to the identification of formulation criteria for more durable glasses better suited to their usage environments. The work envisaged is based on exploratory research carried out in collaboration with Saint Gobain Recherche Paris.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Ce sujet requiert des connaissances solides en physique de la matière condensée, physique statistique, ainsi que des compétences en programmation (Python et/ou Fortran/C++). Des connaissances de base des techniques de simulations atomistiques (classiques et/ou ab initio) seront appréciées. Expérience en simulation de matériaux sur des clusters ou centres de calcul seront un plus.
Suitable candidates would be expected to have a Master degree in physics, chemistry or materials science. This project requires solid knowledge in condensed matter physics, statistical physics, as well as programming skills (Python and/or Fortran/C++). Basic knowledge of atomistic simulation techniques (classical and/or ab initio) will be appreciated. Experience in material simulation on clusters or computing centers would be a plus.