Offre de thèse : Simulation moléculaire de la carbonatation minérale assistée par apprentissage automatique

Post by: Xinping Zhu
9 novembre 2026
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Contexte : La carbonatation minérale, qui consiste à convertir le CO₂ en phases carbonatées stables par réaction avec des minéraux contenant du calcium et du magnésium, suscite un intérêt croissant dans le domaine de la gestion du carbone et du développement de matériaux de construction plus durables. Malgré des avancées significatives à l’échelle macroscopique, les mécanismes moléculaires gouvernant la dissolution des minéraux, la spéciation chimique en solution aqueuse, le transport interfacial et les premières étapes de formation des carbonates restent encore insuffisamment compris. Nous recherchons un(e) doctorant(e) particulièrement motivé(e) pour étudier, à l’échelle moléculaire, les mécanismes contrôlant la réactivité à la carbonatation des minéraux silicatés contenant du calcium et du magnésium en milieu aqueux, avec un intérêt particulier pour la wollastonite, utilisée comme minéral modèle de silicate de calcium. L’objectif général est d’établir des relations à l’échelle moléculaire entre la structure des interfaces, la chimie des solutions, la dissolution minérale et les processus de carbonatation qui en résultent, en accordant une attention particulière à l’influence des champs électriques externes sur ces phénomènes.

Objectifs : Dans le cadre de ce projet, le ou la doctorant(e) se concentrera sur les mécanismes physiques et chimiques élémentaires de la carbonatation de la wollastonite sous l’effet de champs électriques externes. Le travail consistera à développer des potentiels interatomiques fondés sur l’apprentissage automatique (Machine-Learning Interatomic Potentials, MLIPs) et à mettre en œuvre des approches de simulation atomistique pour étudier les phénomènes se produisant aux interfaces wollastonite–eau, notamment: 1) l’hydratation et la structure moléculaire des surfaces minérales ; 2) l’adsorption et l’organisation interfaciale de l’eau et des espèces chimiques en solution aqueuse ; 3) la dissolution minérale et la libération des espèces calciques et silicatées ; 4) l’évolution de la chimie de surface au cours des interactions entre les minéraux et l’eau ; 5) le transport et l’association des ions à proximité des surfaces minérales ; 6) les mécanismes moléculaires intervenant dans la nucléation des carbonates et les processus de minéralisation. Les simulations seront étroitement associées aux observations expérimentales réalisées dans le cadre du projet EXCARB, afin d’établir des liens entre les mécanismes à l’échelle moléculaire et les grandeurs mesurables expérimentalement.

Méthodologie : Le projet reposera principalement sur le développement et l’utilisation de potentiels interatomiques fondés sur l’apprentissage automatique (MLIPs), de simulations de dynamique moléculaire et de techniques d’échantillonnage avancé, complétés par des calculs de mécanique quantique. Le ou la doctorant(e) développera, entraînera et validera des potentiels interatomiques par apprentissage automatique à partir de données de référence issues de calculs ab initio, notamment de la théorie de la fonctionnelle de la densité (Density Functional Theory, DFT). Une attention particulière sera portée à la description précise des interfaces réactives entre les minéraux et l’eau, notamment la rupture et la formation de liaisons chimiques, le transfert de protons, les interactions ioniques et l’évolution de la chimie de surface. Les potentiels ainsi développés seront utilisés pour réaliser des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle, permettant d’accéder à des échelles spatiales et temporelles plus étendues que celles accessibles par la dynamique moléculaire ab initio conventionnelle. Des techniques d’échantillonnage avancé, telles que la métadynamique et l’échantillonnage parapluie (umbrella sampling), associées à des variables collectives construites à l’aide de méthodes d’apprentissage automatique, seront mises en œuvre pour étudier les événements rares, identifier les chemins réactionnels et quantifier les barrières d’énergie libre associées à la dissolution minérale, à l’association ionique et aux premières étapes de formation des carbonates. Le ou la doctorant(e) aura accès à des ressources de calcul haute performance (HPC) et évoluera dans un environnement de recherche pluridisciplinaire associant simulation moléculaire, chimie computationnelle, physicochimie des interfaces, sciences des minéraux et caractérisation expérimentale. Des interactions étroites avec les chercheurs expérimentateurs permettront de valider les résultats des simulations et d’établir des relations pertinentes entre les mécanismes atomistiques et le comportement macroscopique des processus de carbonatation minérale.

Profil recherché : Nous recherchons un(e) candidat(e) titulaire d’un diplôme de Master (ou équivalent) dans l’un des domaines suivants ou dans une discipline connexe : chimie computationnelle, science des matériaux computationnelle, physicochimie, physique chimique, géochimie ou science des matériaux. Un fort intérêt pour la simulation moléculaire et la physicochimie des interfaces est indispensable. Une expérience préalable en dynamique moléculaire, méthodes de Monte-Carlo, calculs de structure électronique, techniques d’échantillonnage avancé ou programmation scientifique constituera un atout, sans toutefois être obligatoire. Une expérience avec des outils tels que MACE, LAMMPS, CP2K, PLUMED, ou d’autres logiciels de simulation équivalents, sera particulièrement appréciée. Une bonne maîtrise de l’anglais, permettant de communiquer dans un environnement scientifique international, est requise.

Présentation du poste : Cette thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche financé ANR JCJC EXCARB. Le ou la doctorant(e) sera inscrit(e) à l’école doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris (IP Paris), classé au 43^e rang mondial et au 2^e rang français dans le classement QS World University Rankings 2027. Cet établissement bénéficie d’une forte reconnaissance internationale dans les domaines des sciences, des technologies et de l’employabilité de ses diplômés. Nous recherchons un(e) doctorant(e) d’excellent niveau pour rejoindre notre équipe et contribuer à ces recherches sur la carbonatation minérale.

Informations pratiques:

Équipe de recherche : Le ou la candidat(e) retenu(e) intégrera le Laboratoire Navier, un laboratoire de recherche pluridisciplinaire dont les activités se situent à l’interface de la mécanique, de la physique, de la science des matériaux et du génie civil. Le travail de thèse sera encadré par Xinping Zhu et Laurent Brochard au Laboratoire Navier. Romain Dupuis, du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC), Simone Pezzotti, de l’École Normale Supérieure, et Antonino Marco Saitta, du Laboratoire de Physique de l’ENS, assureront également la co-direction de thèse de l’étudiant.
Rémunération : 2 300 euros bruts par mois
Lieu de travail : 6 et 8, avenue Blaise-Pascal, Champs-sur-Marne, France, à environ 20 minutes du centre de Paris en RER.
Date de début : 1 octobre 2027
Durée : 36 mois
Date limite de candidature : 28 février 2027

Modalités de candidature

Les candidat(e)s intéressé(e)s sont invité(e)s à fournir les documents suivants:

Un curriculum vitae détaillé ;
Une lettre de motivation présentant leurs intérêts scientifiques et leurs expériences pertinentes ;
Les relevés de notes de Licence et de Master ;
Les coordonnées de deux à trois personnes de référence pouvant fournir une recommandation.

Les dossiers de candidature doivent être envoyés par courrier électronique aux personnes suivantes : Xinping ZHU (xinping.zhu@enpc.fr), Laurent Brochard (laurent.brochard@enpc.fr), Romain Dupuis (romain.dupuis@umontpellier.fr), et Marco Saitta (marco.saitta@phys.ens.fr). Objet du courriel : « PhD MD application – Nom Prénom ».

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