Ab initio study of fluorinated and monohydrated ammonia ices under extreme thermodynamic conditions

Nous nous proposons d'explorer les propriétés structurales et vibrationnelles de la glace d'ammoniac en présence de fluor et d'eau sur une large gamme de pression et de température. Ces solides moléculaires et ioniques sont des idéaux afin d'étudier les quatre liaisons hydrogène les plus importantes O-H...O, N-H...N, O-H...N et N-H...F et le mécanisme de transfert de proton le long de ces liaisons. Bien que ces mélanges soient composés de molécules simples, ils sont omniprésents dans l'univers et en particulier à l'intérieur des planètes géantes glacées (Neptune, Uranus) et de leurs satellites (Titan, Ganymède), ce qui a motivé leur exploration sous haute condition de pression et de température. Nous utilisons plusieurs méthodes ab initio afin d'étudier le diagramme de phase de deux cristaux, le fluorure d'ammonium (NH4F) et l'ammoniac monohydraté (NH3.H2O). Après avoir prédit plusieurs structures cristallographiques à 0 K, nous avons pu nous consacrer aux calculs de spectres Raman et infrarouge ainsi qu'à la prise en compte des effets de désordre et dynamique en utilisant la méthode de la dynamique moléculaire ab initio. Nos résultats ont ensuite été comparés à ceux issus des expériences sous enclumes de diamant. Nous avons découvert une transition de type ordre-désordre au sein de NH4F et un diagramme de phase très similaire au diagramme de phase de l'eau. Enfin, nous avons démontré que des conditions thermodynamiques relativement douces étaient suffisantes afin de transformer le mélange NH3.H2O en un cristal exotique où coexiste des molécules d'ammoniac et d'eau avec des ions hydroxyde et ammonium.In this thesis, we explore the structural and vibrational properties of fluorinated and hydrated ammonia ices over a wide range of pressure and temperature. These crystals are considered as models to study the four main hydrogen bonds O-H…O, N-H…N, O-H…N, N-H…F and proton hopping mechanisms along these bonds. Although these mixtures are composed of simple molecules they are considered to be the major components of the interior of the giant icy planets (Neptune, Uranus) and their satellites (Titan, Ganymede), which has motivated their exploration under high pressure-temperature conditions. Here we investigate the phase diagram of two crystals, ammonium fluoride (NH4F) and ammonia monohydrate (NH3.H2O) by using several ab initio methods. Firstly, we have performed random structural search calculations in order to predict the lowest enthalpy structures at 0 K. On the other hand, we have calculated Raman and infrared spectra of the most promising structures and ab initio molecular dynamics simulations were performed for the understanding of disorder and dynamic effects. Then, our results have been compared to experimental evidence. We have discovered an order-disorder transition in NH4F with a phase diagram surprisingly similar to that of water. Finally, we have demonstrated that relatively mild pressure conditions were sufficient to transform NH3.H2O into an exotic phase where the standard molecular forms of water and ammonia coexist with their ionic counterparts, hydroxide and ammonium ions

Etude ab initio des glaces d'ammoniac fluoré et hydraté sous conditions thermodynamiques extrêmes

In this thesis, we explore the structural and vibrational properties of fluorinated and hydrated ammonia ices over a wide range of pressure and temperature. These crystals are considered as models to study the four main hydrogen bonds O-H…O, N-H…N, O-H…N, N-H…F and proton hopping mechanisms along these bonds. Although these mixtures are composed of simple molecules they are considered to be the major components of the interior of the giant icy planets (Neptune, Uranus) and their satellites (Titan, Ganymede), which has motivated their exploration under high pressure-temperature conditions. Here we investigate the phase diagram of two crystals, ammonium fluoride (NH4F) and ammonia monohydrate (NH3.H2O) by using several ab initio methods. Firstly, we have performed random structural search calculations in order to predict the lowest enthalpy structures at 0 K. On the other hand, we have calculated Raman and infrared spectra of the most promising structures and ab initio molecular dynamics simulations were performed for the understanding of disorder and dynamic effects. Then, our results have been compared to experimental evidence. We have discovered an order-disorder transition in NH4F with a phase diagram surprisingly similar to that of water. Finally, we have demonstrated that relatively mild pressure conditions were sufficient to transform NH3.H2O into an exotic phase where the standard molecular forms of water and ammonia coexist with their ionic counterparts, hydroxide and ammonium ions.Nous nous proposons d'explorer les propriétés structurales et vibrationnelles de la glace d'ammoniac en présence de fluor et d'eau sur une large gamme de pression et de température. Ces solides moléculaires et ioniques sont des idéaux afin d'étudier les quatre liaisons hydrogène les plus importantes O-H...O, N-H...N, O-H...N et N-H...F et le mécanisme de transfert de proton le long de ces liaisons. Bien que ces mélanges soient composés de molécules simples, ils sont omniprésents dans l'univers et en particulier à l'intérieur des planètes géantes glacées (Neptune, Uranus) et de leurs satellites (Titan, Ganymède), ce qui a motivé leur exploration sous haute condition de pression et de température. Nous utilisons plusieurs méthodes ab initio afin d'étudier le diagramme de phase de deux cristaux, le fluorure d'ammonium (NH4F) et l'ammoniac monohydraté (NH3.H2O). Après avoir prédit plusieurs structures cristallographiques à 0 K, nous avons pu nous consacrer aux calculs de spectres Raman et infrarouge ainsi qu'à la prise en compte des effets de désordre et dynamique en utilisant la méthode de la dynamique moléculaire ab initio. Nos résultats ont ensuite été comparés à ceux issus des expériences sous enclumes de diamant. Nous avons découvert une transition de type ordre-désordre au sein de NH4F et un diagramme de phase très similaire au diagramme de phase de l'eau. Enfin, nous avons démontré que des conditions thermodynamiques relativement douces étaient suffisantes afin de transformer le mélange NH3.H2O en un cristal exotique où coexiste des molécules d'ammoniac et d'eau avec des ions hydroxyde et ammonium

Disorder-order phase transition at high pressure in ammonium fluoride

Solid NH4F displays intriguing parallels with ice despite its apparently ionic character. Here we investigate its phase diagram in low-temperature and high-pressure regions using Raman spectroscopy, X-ray diffraction and ab initio structure search calculations. We focus on the high-pressure cubic phase which resembles that found in ice under pressure and is also the ambient pressure phase of other ammonium halides. We detect a disorder-order transition above 10 GPa, recalling those found both in other ammonium halides and in ice. The transition reveals itself in the pressure dependence of several Raman modes as well as through the progressive splitting of lattice and bending modes of the cubic phase at low temperatures. An in-depth analysis of the Raman modes and their evolution is made