Approche Multi-échelle de l'impact d'impuretés minérales sur le piégeage de gaz dans des clathrates hydrates – MI2C

Les clathrate hydrates sont des solides cristallins nanoporeux, constitués de cages aqueuses encapsulant des espèces moléculaires (gazeuses). Depuis leur découverte il y a environ deux siècles, ces systèmes ont connu un intérêt croissant, allant de la « simple curiosité » scientifique à leur problématique d’ingénierie liée à l’obturation des gazoducs et oléoducs. Du fait de leur occurrence terrestre, les clathrate hydrates représentent une opportunité en tant que nouvelle source énergétique pour le futur. Ils jouent également un rôle clef dans les scénarii de formation planétaire et cométaire. Une observation commune aux clathrate hydrates d’origine terrestre et extraterrestre, est qu'ils sont principalement et naturellement formés en présence de poussières de glace poreuses, pouvant être enrichi en minéraux, sels et/ou sédiments hydratés ou aux interfaces géologiques océan/couche sédimentaire. L'impact de ces impuretés minérales sur les propriétés physico-chimiques des clathrate hydrates (sélectivité des gaz piégés, stabilités, cinétique de formation, etc…) constitue un enjeu primordial pour suivre l'évolution de l'abondance des espèces participant à la composition des dépôts d'hydrates sur Terre et dans les corps extraterrestres. La morphologie et la distribution des clathrate hydrates dépendant des propriétés de leur milieu naturel (composition chimique, hydrophobicité, porosité…), la compréhension, à un niveau fondamental, de la sélectivité moléculaire, de la thermodynamique, des mécanismes de formation et de dissociation sur et au sein de minéraux est cruciale. Le projet MI2C s’inscrit dans ce cadre de recherche fondamentale et vise à: (i) développer de nouveaux clathrate hydrates en présence d’impuretés minérales pour mimer leurs environnements naturels (e.g. corps planétaires et cométaires, océans profonds, pergélisol d'origine terrestre et extraterrestre) et (ii) étudier les facteurs pilotant la sélectivité des gaz piégés et les mécanismes de formation/dissociation de tels systèmes. Le projet englobe donc l’étude de clathrate hydrates mixtes dans des conditions thermodynamiques pertinentes pour des environnements géologiques et astrophysiques, et permettra d’explorer l'influence de substituts mésoscopiques présents dans ces milieux naturels lors de la formation de clathrate. Cet objectif constitue la principale nouveauté du projet. Pour mener à bien ces recherches, les partenaires impliqués proposent une approche pluridisciplinaire originale et se basant sur des expertises théoriques et expérimentales. Le programme de recherche présente un caractère fortement multi-échelle allant des approches atomiques (par exemple, dynamique moléculaire classique et ab-initio, simulation Monte Carlo, diffusion neutronique) à des études microscopiques (micro-spectrométrie et imagerie Raman, modélisation mésoscopique et simulation statistique). Ce projet innovant amènera de nouvelles perspectives fondamentales dans des domaines allant de la physico-chimie (impact de défauts sur les lois thermodynamiques classiques) à l’astrophysique ou la géophysique (modèle « réaliste » d’observation des clathrates en conditions terrestres et "extra-terrestres").