Electrostatics at the nanoscale in aqueous solutions: a field theory approach - GULLIVER
Hdr Année : 2023

Electrostatics at the nanoscale in aqueous solutions: a field theory approach

Hélène Berthoumieux

Résumé

This habilitation manuscript presents a framework based on statistical field theory to study the dielectric properties of water and electrolytes at a small scale. The nanometer scale is the typical confinement size of technological and biological devices, the screening length of low-concentrated ionic solutions, as well as the range at which water starts to behave as a discrete molecular medium. Simulations are often used to study these systems, but they do not provide the ”master equation” that governs them. Here, we describe water as a correlated dielectric medium. We develop functionals of the polarization to capture the molecular structure of the fluid and build a minimal analytical framework to study the properties of aqueous solutions. We include a modelization of the confinement and identify the key elements that govern the interplay between the structure of the electrolytes and the properties of the confining surface. We thus provide a versatile approach to studying electrolytes at the nanoscale.
Ce mémoire d’habilitation à diriger les recherches présente un cadre de théorie statistique des champs pour étudier les propriétés diélectriques de l’eau et des électrolytes à petite échelle. Le nanomètre est la taille de confinement typique des dispositifs technologiques et biologiques, la longueur de Debye des solutions ioniques faiblement concentrées, ainsi que l’échelle à laquelle l’eau commence à se comporter comme un milieu moléculaire. Les simulations sont souvent utilisées pour étudier ces systèmes, mais elles ne fournissent pas ”l’équation maîtresse” qui les gouverne. Nous décrivons ici l’eau comme un milieu diélectrique corrélé. Nous développons des fonctionnelles de la polarisation pour modéliser la structure moléculaire du fluide et nous construisons un cadre analytique minimal pour étudier les propriétés des solutions aqueuses. Nous incluons une modélisation du confinement et nous identifions les éléments qui gouvernent l’interaction entre la structure des électrolytes et les propriétés de la surface de confinement. Nous proposons ainsi une approche systématique pour étudier les électrolytes à l’échelle nanométrique.
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Dates et versions

tel-04807601 , version 1 (27-11-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04807601 , version 1

Citer

Hélène Berthoumieux. Electrostatics at the nanoscale in aqueous solutions: a field theory approach. Chemical Physics [physics.chem-ph]. Université Paris Sciences & Lettres, 2023. ⟨tel-04807601⟩
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