Alexandre PERRET Etude des propriétés de transport du CO2 et de l'éthanol en solution ...

256 Pages·2015·3.53 MB·French

UniversitédeREIMSCHAMPAGNE-ARDENNE
UFRSciencesExactesetNaturelles
EcoleDoctorale:SciencesTechnologieSanté
THESE
Pourobtenirlegradede
Docteurdel’UniversitédeReimsChampagne-Ardenne
EnChimie
Spécialité:Dynamiquemoléculaire
par
Alexandre PERRET
le11Décembre2014
Etude des propriétés de transport du CO et de l’éthanol en solution
2
hydroalcoolique par dynamique moléculaire classique :
Application aux vins de Champagne
NUZILLARDJean-Marc Directeurderecherche,CNRS(ICMR) Président
GOUGEONRégis Professeur,UniversitédeBourgogne(IUVV) Rapporteur
STOTERoland Directeurderecherche,CNRS(IGBMC) Rapporteur
FLOQUETNicolas Chargéderecherche,CNRS(IBMM) Examinateur
PRALETStéphane IngénieurDocteur,BULLSAS Examinateur
ALIJAHAlexander Professeur,URCA(GSMA) Directeurdethèse
LIGER-BELAIRGérard Professeur,URCA(GSMA) Co-directeurdethèse
BONHOMMEAUDavid Maîtredeconférences,URCA(GSMA) Co-encadrant

Remerciements
J’aimerais remercier en tout premier lieu les Professeurs Alexander Alijah et
Gérard Liger-Belair, ainsi que le Docteur David A. Bonhommeau pour leur en-
cadrement quotidien. Merci Gérard de m’avoir fait découvrir le monde riche et
fabuleuxduchampagne.Jeneregardepluslesbullesdelamêmefaçonàprésent.
Je remercie également le Docteur Thibaud Cours pour nos discussions toujours
fructueuses et pour son regard plus intuitif. Merci à tous de m’avoir inculqué la
rigueur nécessaire à la réalisation d’un tel travail. J’ai appris énormément à vos
côtés.
JetiensàremercierégalementlesDocteursClaraCilindreetJean-MarcNuzillard
pouravoircollaboreravecmoisurcetravaildethèse.
Je souhaite à présent exprimer ma reconnaissance au Professeur Régis Gougeon
et au Docteur Roland Stote pour avoir accepté de juger ce travail, ainsi qu’aux
DocteursNicolasFloquetetJean-MarcNuzillardpouravoiracceptél’invitationà
êtremembredujurydecettethèse.Nicolas,Roland,jesuisextrêmementheureux
d’avoir pu vous réunir au sein de ce jury. Vous êtes ceux qui m’ont mis le pied à
l’étrier et donné envie de travailler dans le monde si enrichissant de la recherche.
Pourça,jevousensuiséternellementreconnaissant.
Je voudrais remercier l’entreprise Bull qui a financé ces travaux de thèse et le
Docteur Stéphane Pralet qui m’a supervisé lors de mes séjours dans l’entreprise.
Merci à l’ensemble des équipes MPI et Benchmark de Bull et plus particulière-
mentàAndryRazafinjatovo,MouhamedGueye,GuillaumePapauré,PiotrLesni-
ckietCyrilMazauric.
J’aimerais maintenant remercier sincèrement les membres du GSMA et d’Aé-
rovia pour ces trois années passées en votre compagnie. Ca a été une aventure
formidable. Un spécial merci aux jeunes Docteurs Ahmad El Masri, Christophe
Risser et Thibault Delahaye pour les supers moments vécus ensemble pendant
ces trois années. On l’a fait les gars, on est les quatre mousquetaires!!! Merci
également au groupe du midi pour les supers moments passés ensemble : Irène,
Mélanie, Virginie, Bertrand, Thibault, Thibaud, Lionel, Christophe, Jean-Charles
et Manu. Merci Daniel et Hector d’avoir égayé mes journées au bureau. Merci
à Benoit pour son aide en fin de rédaction et un grand merci à Jérémie qui s’est
plongésansretenudansmonmanuscritpourcorrigermesfautesd’orthographeet
poursesprécieuxconseils.
UntrèsgrandmerciaudépartementtechniqueduGSMApourlesmomentsépiques
passés ensemble et pour m’avoir supporté le midi pendant les dernières semaines
derédaction.Votrejoiedevivrem’afaitleplusgrandbien.MerciàvousNicoC.,
NicoD.,Greg,Bruno,FredetHélène.
Je tiens également à remercier tous les footeux du jeudi soir. Grâce à eux, j’ai
pu oublier pendant quelques instants les durs aléas de la vie de doctorant. Merci
à vous Jordane, Youen, Matthieu, Lionel, Valentin, Gilberto, Florian, Samad, Ar-
mandoettousceuxquej’aipuoublier.
J’aimerais à présent remercier du fond du coeur mes parents qui ont toujours cru
enmoietquim’ontsoutenusansfailliràchaqueétapedemavied’étudiant.Sans
eux, rien de tout ceci n’aurait été possible. Maman, Papa, je ne vous remercierai
jamaisassez.MerciàmasoeurCharline;jetesouhaitetoutlebonheurdumonde.
Merciàtoutemafamille.
Un grand merci également à Danièle et Dominique pour leurs encouragements et
l’immenseplaisirqu’ilsm’ontfaitenassistantàmasoutenance.
Enfin,jevaisremercierlesdeuxpersonnesquimesontlepluscher.Toutd’abord
un immense merci à mon ami Christophe "Cutoff" Narth. Chris, tu m’as donné
énormément sans jamais demandé en retour, tu m’as accompagné dans mes soi-
réessansfinetmesnuitsblanches,tum’ascontinuellementencouragéetsupporté.
UnmerciencoreplusgrandàFanny,madouceettendre.Tuasétémonpharepen-
dant 3 ans, ton soutien et ton amour sans faille m’ont permis de continuer envers
4
etcontretout.Tun’asjamaiscessédecroireenmoi.
Fanny, Christophe, pour tout ça je vous suis éternellement reconnaissant et j’es-
pèrepouvoirvousrendrelapareilleunjour.Cemanuscritestaussilevotre.
Je terminerai en dédiant ce manuscrit à mes grands-parents Christiane et Roger
quim’onttoujourssupportédepuismonplusjeuneâge.Rogern’apuêtreprésent
lorsdeladernièrelignedroitemaisjesaisqu’ilauraitétéfierdemoi.
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EtudedespropriétésdetransportduCO etdel’éthanolensolutionhydroalcooliquepardynamique
2
moléculaireclassique:applicationauxvinsdeChampagne
Résumé : Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à l’étude de la diffusion du dioxyde de carbone dissous
et de l’éthanol dans une solution hydroalcoolique modèle représentant le champagne. La première partie de ce travail aborde
lesdifférentsformalismesdeladiffusionmoléculaire,ainsiquelesméthodesthéoriquesetexpérimentalesutiliséespourrendre
compte de ce phénomène de transport. Une attention particulière est apportée à la dynamique moléculaire en champ de forces
classiquesquiestutilisédanscetravailaveclelogicielGROMACS.Cetteméthodethéoriqueprocureunpointdevuenovateur
danslarecherchesurlechampagneetplusparticulièrementsurlerôledechaqueespècemajoritairedansladiffusionduCO .
2
La spectroscopie RMN, ainsi qu’une méthode expérimentale basée sur l’étude du taux de grossissement des bulles, ont égale-
mentétéutilisées.Dansladeuxièmepartie,lesrésultatsthéoriquesetexpérimentauxsontprésentésetcomparésentreeuxafin
devaliderleprotocoledessimulationsdedynamiquemoléculaire.Lesviscositésdelasolutionmodèleetduchampagne,ainsi
que les rayons hydrodynamiques du CO et de l’éthanol sont également étudiés. La dernière partie du manuscrit concerne le
2
partenariatavecl’entrepriseBulletl’étudedesperformancesdulogicielGROMACS.L’expertisedeséquipesdeBull,ainsique
lesoutilsdéveloppésparl’entreprise,permettentd’étudierlepassageàl’échelle(ou"scalabilité")etlecomportementparallèle
deGROMACSpourlamodélisationduchampagne.
Mots-clés : Diffusion moléculaire, dynamique moléculaire classique, dioxyde de carbone, éthanol, modèles d’eau, RMN,
tauxdegrossissementdesbulles,rayonhydrodynamique,performancedeGROMACS.
StudyoftransportpropertiesofCO andethanolinahydroalcoholicsolutionbyclassicalmolecular
2
dynamics:applicationtoChampagnewines
Abstract : The work presented in this manuscript is devoted to the study of the diffusion of dissolved carbon dioxide and
ethanol in a hydroalcoholic solution model representing Champagne wines. The first part of this work deals with the different
formalisms of molecular diffusion, as well as theoretical and experimental methods used to account for this phenomenon of
transport. Particular attention is paid to the classical force field molecular dynamics that is used in this work with the GRO-
MACSsoftware.Thistheoreticalapproachprovidesanewperspectiveinresearchonchampagneandparticularlyontheroleof
eachofthemainspeciesinCO diffusion.NMRspectroscopy,andanexperimentalmethodbasedonthestudyofthebubbles
2
growthrate,werealsoused.Inthesecondpart,thetheoreticalandexperimentalresultsarepresentedandcomparedwitheach
othertovalidatetheprotocolofmoleculardynamicssimulations.Theviscositiesofthemodelsolutionandofthechampagne,
aswellasthehydrodynamicradiiofCO andethanol,arealsoinvestigated.Thelastpartofthemanuscriptfocusesonthepart-
2
nershipwiththeBullcompanyandthestudyoftheGROMACSsoftwareperformance.Theexpertiseofandthetoolsdeveloped
bytheBullcompanyareusedtostudythescalabilityandtheparallelbehaviorofGROMACSformodelingchampagne.
Keywords:Molecular diffusion,classicalmoleculardynamics, carbondioxide,ethanol,water models,NMR,growthrate
ofbubbles,hydrodynamicalradius,GROMACSperformance.
GroupedeSpectrométrieMoléculaireetAtmosphérique(GSMA),UMRCNRS7331,
UFRSciencesExactesetNaturelles-MoulindelaHousse,Bt.6,BP1039
51687ReimsCedex2-FRANCE

Table des matières
Introduction 23
1 Introductiongénérale 23
2 Histoiredeladiffusion 25
3 Lechampagne 33
3.1 L’élaborationduchampagne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Lacompositionchimiqueduchampagne . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Formationetgrossissementdesbulles . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Lanucléation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Ladiffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
I Méthodologie Théorique et Expérimentale 43
4 Ladiffusionmoléculaire 45
4.1 DiffusiondeFick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.1 Fluxetsystèmesbinaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.2 Systèmesternaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.3 Systèmesmulticomposants . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 DiffusiondeMaxwell-Stefan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1 Systèmesbinaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.2 Systèmesmulticomposants . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
TABLEDESMATIÈRES
4.3 CoefficientdediffusionetMSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 CoefficientdediffusionetrelationdeGreen-Kubo . . . . . . . . . 58
5 Ladynamiquemoléculaireclassique 61
5.1 Fonctiond’énergiepotentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.1.1 Interactionsliées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.2 Interactionsnonliées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.3 Traitementdesinteractionsnonliées . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3 Modèlemoléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4 Solvatation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.5 Conditionspériodiquesauxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6 Minimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.6.1 MéthodeSteepestDescent . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.6.2 MéthodeduGradientConjugué . . . . . . . . . . . . . . 86
5.7 Equilibrationetensemblesthermodynamiques . . . . . . . . . . . 87
5.8 Protocoledesimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.9 DynamiquemoléculaireavecReplicaExchange . . . . . . . . . . 94
6 Déterminationducoefficientdediffusion 99
6.1 Pardynamiquemoléculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 Parspectroscopiederésonancemagnétiquenucléaire(RMN) . . . 109
6.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2.2 Préparationdel’échantillon . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.2.3 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.3 Parsuivividéodugrossissementdesbulles . . . . . . . . . . . . 118
6.3.1 Grossissementdesbulles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.3.2 Modèlesdesphèreetcoefficientdediffusion . . . . . . . 124
6.3.3 ConcentrationenCO dissous . . . . . . . . . . . . . . . 127
2
6.4 ParlaloideStokes-Einstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
TABLEDESMATIÈRES 10