Cristallochimie des minéraux ferrifères et implications dans le cycle géochimique des polluants métalliques – CrIMin

Dans les sols et sédiments, les réactions chimiques se produisant aux interfaces entre oxy-hydroxydes de fer et eau jouent un rôle important dans de nombreux processus naturels, allant du transport et du devenir des contaminants environnementaux à la biodisponibilité en passant par le cycle géochimique global du fer. Dans ce contexte, le projet présenté ici vise à tirer profit des développements théoriques les plus récents en calculs ab initio afin d'améliorer notre compréhension de la cristallochimie des minéraux ferrifères et de leur implication dans le cycle géochimique des polluants métalliques mineurs ou en traces. Pour ce faire, l'équipe de jeunes chercheurs en minéralogie et physique se concentrera sur les trois tâches suivantes :
- La modélisation des minéraux ferrifères qui progressera des minéraux purs aux minéraux contenant des substitutions cationiques (impuretés chimiques) et des défauts atomiques. Les minéraux considérés seront les oxy-hydroxydes de fer se trouvant couramment aux interfaces d'oxydo-réduction des sols, et dont la réactivité de surface favorise l'oxydation ou la réduction des molécules adsorbées. Les propriétés vibrationnelles seront étudiées en détail afin d'améliorer l'interprétation des spectres infrarouge et Raman, et conduiront à la détermination des facteurs de fractionnement isotopique à l'équilibre.
- Le développement d'une méthode innovante pour déterminer les propriétés isotopiques des liquides, qui représente actuellement l'étape limitante dans l'étude théorique des fractionnements isotopiques entre solide et solution. Cette approche sera d'abord appliquée à l'eau pure, avant d'aborder les ions solvatés (i.e. Fe et polluants métalliques comme Cr, Zn, Ni).
- La modélisation des interfaces solide-solution. Nous étudierons d'abord les surfaces minérales hydratées, ce qui nous permettra d'aborder la question de la signature isotopique des surfaces minérales. Puis, nous explorerons les mécanismes d'adsorption des éléments métalliques. Les propriétés structurales et vibrationnelles des complexes de sorption seront comparées aux données expérimentales qui ont été ou seront obtenues par nos collègues de l'IMPMC, dans des études menées en parallèle. Ces données structurales pourront ensuite être reliées aux propriétés thermodynamiques (énergies de réaction, fractionnements isotopiques).
Ce projet fournira un cadre théorique général pour l'interprétation des données expérimentales issues de différentes techniques analytiques (e.g. techniques de diffraction, spectroscopies vibrationnelles, spectroscopies d'absorption des rayons X, analyses isotopiques). Au-delà des résultats concernant la minéralogie environnementale, l'important travail méthodologique qui sera mené dans ce projet (amélioration de la modélisation des phases minérales contenant des éléments de transition et amélioration de la détermination théorique des propriétés isotopiques des liquides) trouvera de nombreuses autres applications en sciences de la Terre, sciences des matériaux et physique.