Chimie des pluies de diamants dans les géants des glaces – CHEMRAIN

La chimie du manteau des planètes géantes glacées telles que Neptune et Uranus a récemment attiré l'attention de la communauté scientifique. Le manteau de ces planètes est principalement composé d'un fluide dense, mélange d'eau, de méthane et d'ammoniac. Les conditions extrêmes de pression et de température (T>1000 K, et P>3 GPa) dans les géantes glacées impliquent des réactions complexes qui dictent bon nombre des propriétés chimiques et physiques de ces planètes. À cet égard, la formation de diamants et d'eau super ionique (pluie de diamants) à partir du mélange planétaire a été invoquée pour rationaliser la luminosité et le champ magnétique anisotrope des géantes glacées. Le projet CHEMRAIN vise à briser les frontières de la chimie extrême, jusqu'ici inaccessible, du manteau des géantes glacées. CHEMRAIN simulera pour la première fois les premières étapes de la nucléation des nano-diamants à partir d'un mélange fluide représentatif de l'intérieur des géantes glacées. Notre objectif principal est de comprendre la chimie dans des conditions extrêmes de la nucléation du diamant à l'échelle nanométrique. Cela sera réalisé en développant un protocole rassemblant une série de techniques de calcul de pointe : méthodes ab initio, dynamique moléculaire, techniques d'échantillonnage amélioré (métadynamique, umbrella sampling), QM:QM multi embedded scheme, spectroscopie théorique et descripteurs électroniques topologiques (par exemple les fonctions de localisation électronique (ELF)). La combinaison de techniques d'échantillonnage amélioré et de dynamique moléculaire ab initio permettra l'exploration de la réactivité du mélange planétaire, surmontant les limitations actuelles de temps dans la modélisation de la formation de diamants. Cela permettra de découvrir des mécanismes de transformation réalistes et des barrières d'énergie libre pour la nucléation de nanodiamants dans les mélanges planétaires, en prenant en compte les effets de la pression, de la température et de la solvatation. Dans la deuxième étape, l'application de l'ELF sur les espèces réactives le long du chemin de transition, obtenu par dynamique moléculaire réactive, permettra l'étude de l'évolution de la nature du réseau de liaison, des charges et du volume des doublets liants et non liants pendant la nucléation de nanodiamants. Cela ouvrira la voie à une identification complète de la nature de l'environnement chimique (moléculaire, ionique, super ionique, etc.) aux conditions P,T des géantes glacées, éclairant l'effet des conditions extrêmes sur la réactivité des mélanges planétaires. Enfin, CHEMRAIN établira une connexion entre les expériences et les simulations grâce à la spectroscopie théorique vibrationnelle. La caractérisation de nouvelles phases de mélanges planétaires par spectroscopie théorique permettra de suivre les changements dans les interactions intra- et intermoléculaires du mélange le long du diagramme de phase, ouvrant la voie à une interprétation complète des expériences de Raman à haute pression.