Structure et interactions moléculaires de liquides ioniques poreux

Résumé de la thèse

Cette thèse explore la structure moléculaire et le comportement interfacial des liquides ioniques poreux (PILs) à l’aide de simulations atomistiques, afin de comprendre comment l’organisation du solvant et les interactions avec les surfaces influencent la porosité, la stabilité et les performances fonctionnelles. Les liquides ioniques poreux sont obtenus par dispersion de solides nanoporeux, tels que les cadres métalliques-organiques (MOFs), dans des solvants ioniques ou eutectiques volumineux, incapables de pénétrer dans les pores, ce qui permet de préserver une porosité permanente en phase liquide.

Des simulations de dynamique moléculaire (MD) ont été utilisées pour étudier comment les liquides ioniques, qui forment des nanodomaines chargés et apolaires, influencent le comportement des particules en suspension. L’analyse structurale et les calculs du potentiel moyen de force (PMF) montrent que l’organisation du solvant régule les interactions interparticulaires et contribue à la stabilisation ou à l’instabilité cinétique des suspensions par la présence de barrières énergétiques à l’agrégation.

Le comportement des solvants eutectiques profonds (DES) a également été étudié à l’aide d’un système modèle composé de bromure de méthyltriphenylphosphonium/glycérol et du MOF ZIF-8. Les simulations confirment que la porosité est conservée grâce à l’exclusion des composants du solvant des pores du MOF, et les simulations d’adsorption du CO₂ montrent une accumulation préférentielle du gaz dans la phase poreuse, guidée par la structuration interfaciale.

Enfin, la thèse examine l’utilisation d’un MOF biocompatible, CD-MOF-1, combiné à un solvant ionique pour favoriser la solubilisation et le transport de principes actifs pharmaceutiques (API) peu solubles. Un champ de force polarisable a été développé pour modéliser avec précision la flexibilité du réseau. Des simulations de métadynamique ont été utilisées pour étudier l’inclusion des API et quantifier le paysage énergétique de la complexation hôte–invité.

Dans l’ensemble, ce travail fournit une compréhension à l’échelle moléculaire des liquides ioniques poreux et soutient leur conception rationnelle pour des applications en séparation de gaz, formulation colloïdale et vectorisation pharmaceutique.

Understanding Structure and Molecular Interactions of Porous Ionic Liquids 

This thesis investigates the molecular structure and interfacial behavior of porous ionic liquids (PILs) using atomistic simulations, with a focus on understanding how solvent organization and surface interactions influence porosity, stability, and functional performance. Porous ionic liquids are formed by dispersing nanoporous solids, such as metal–organic frameworks (MOFs), into bulky ionic or eutectic solvents that cannot penetrate the pores, preserving permanent porosity in the liquid phase.

Molecular dynamics (MD) simulations were employed to study how ionic liquids, which form charged and apolar nanodomains, influence the behavior of suspended particles. Structural analysis and potential of mean force (PMF) calculations reveal that the organization of the solvent governs interparticle interactions and contributes to the kinetic stabilization or destabilization of the suspension through energy barriers to aggregation.

The behavior of deep eutectic solvents (DESs) as host media was also explored using a model system consisting of methyltriphenylphosphonium bromide/glycerol and the MOF ZIF-8. Simulations confirm that porosity is maintained due to the exclusion of solvent components from the MOF, and gas uptake simulations with CO₂ show preferential accumulation within the porous phase, driven by interfacial structuring.

Finally, the thesis explores the use of a biocompatible MOF, CD-MOF-1, in combination with an ionic solvent to support the solubilization and transport of poorly soluble active pharmaceutical ingredients (APIs). A polarizable force field was developed to accurately capture the flexibility of the MOF framework. Metadynamics simulations were used to investigate API inclusion and quantify the free energy landscape of host–guest complexation.

Overall, this work provides molecular-level insights into how porous ionic liquids can be designed and tuned for applications in gas separation, colloidal formulation, and pharmaceutical delivery.