Étude théorique d'inhibiteurs verts de corrosion : adsorption de la 8-hydroxyquinoléine sur surfaces d'aluminium

HAL Id: tel-01834597

https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-01834597

Submitted on 10 Jul 2018

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

adsorption de la 8-hydroxyquinoléine sur surfaces d’aluminium

Fatah Chiter

To cite this version:

Fatah Chiter. Étude théorique d’inhibiteurs verts de corrosion : adsorption de la 8-hydroxyquinoléine sur surfaces d’aluminium. Matériaux. Institut National Polytechnique de Toulouse 2015. Français.

�NNT : 2015INPTO113�. �tel-01834597�

DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par :

Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse) Discipline ou spécialité :

Science et Génie des Matériaux

Présentée et soutenue par :

M. FATAH CHITER le vendredi 13 novembre 2015

Titre :

Unité de recherche : Ecole doctorale :

ETUDE THEORIQUE D'INHIBITEURS VERTS DE CORROSION:

ADSORPTION DE LA 8-HYDROXYQUINOLEINE SUR SURFACES D'ALUMINIUM

Sciences de la Matière (SDM)

Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (C.I.R.I.M.A.T.) Directeur(s) de Thèse :

MME CORINNE DUFAURE M. HAO TANG Rapporteurs :

M. HERVE BULOU, UNIVERSITE DE STRASBOURG Mme DOMINIQUE COSTA, CHIMIE PARISTECH

Membre(s) du jury :

1 M. DAVID LOFFREDA, ENS SCIENCES LYON, Président

2 M. HAO TANG, CEMES TOULOUSE, Membre

2 Mme ANNE HEMERYCK, LAAS TOULOUSE, Membre

2 Mme CORINNE DUFAURE, INP TOULOUSE, Membre

2 Mme NADINE PEBERE, INP TOULOUSE, Membre

2 Mme TZONKA MINEVA, ECOLE NLE SUP DE CHIMIE DE MONTPELLIER, Membre

Je tiens tout d’abord ` a remercier chaleureusement mes directeurs de th` ese Corinne Lacaze-Dufaure du CIRIMAT et Hao Tang charg´ e de recherche au CEMES pour la confiance qu’ils m’ont accord´ e, leur disponibilit´ e et leur patience. J’ai beaucoup appr´ eci´ e leur qua- lit´ es humaines, professionnelles et scientifiques, ainsi que leur rigueur et la qualit´ e de leur encadrement. Je leur suis tr` es reconnaissant de m’avoir donn´ e la chance de r´ ealiser cette th` ese de doctorat dans d’aussi bonnes conditions et la possibilit´ e de cˆ otoyer une large com- munaut´ e scientifique.

Je remercie David Loffreda, directeur de recherche ` a l’ENS de Lyon d’avoir accept´ e de pr´ esider le jury de ma soutenance de th` ese et pour l’int´ erˆ et qu’il a port´ e ` a ce sujet et aux r´ esultats pr´ esent´ es. Je suis tr` es reconnaissant ` a Dominique Costa, directrice de recherche ` a chimie ParisTech et Herv´ e Bulou, charg´ e de recherche ` a l’IPCMS de Strasbourg d’avoir ac- cept´ e d’ˆ etre rapporteurs de ce travail et d’avoir consacr´ e beaucoup de temps ` a l’examen de ce manuscrit. Merci ´ egalement pour toutes ces suggestions constructives autour des r´ esul- tats pr´ esent´ es. Je tiens ` a remercier chaleureusement Anne Hemeryck, charg´ ee de recherche au LAAS de Toulouse et Tzonka Mineva, charg´ ee de recherche ` a l’ICG de Montpellier pour avoir accept´ e de participer au jury de ma th` ese et avoir examin´ e minutieusement ce travail.

J’adresse particuli` erement mes remerciements ` a Boualem Saidani, professeur ` a l’universit´ e de B´ eja¨ıa pour avoir accept´e notre invitation et pour le vif int´erˆet port´e ` a cette probl´ ema- tique ainsi que ses remarques bienveillantes.

Je souhaite remercier vivement Nadine P´ eb` ere, directrice de recherche au CIRIMAT pour ses qualit´ es scientifiques, sa disponibilit´ e et la confiance qu’elle m’a accord´ ee tout le long de la th` ese. Son implication et ses conseils m’ont permis d’acc´ eder ` a la partie exp´ erimentale li´ ee ` a ce sujet de th` ese.

Ce travail de th` ese a ´ et´ e men´ e conjointement au Centre Interuniversitaire de Recherche et d’Ing´ enierie des Mat´ eriaux (CIRIMAT) dans l’´ equipe SURF et au Centre d’´ Elaboration de Mat´ eriaux et d’´ Etudes Structurales (CEMES) dans l’´ equipe MC2 de Toulouse. Je tiens

`

a remercier tous les membres de ces deux laboratoires, th´ esards, chercheurs, enseignants-

chercheurs ainsi que le personnel technique et administratif. Un grand merci particuli` ere-

ment ` a Nathalie, Magali, Marie-Jose, Anne, Joseph, Nicolas, Constantin, Bernard, Francis

pour leur soutien et pr´ ecieux conseils tout au long de la th` ese. Ce fut un plaisir de tra-

vailler en votre compagnie, ce qui a fait de ces trois ann´ ees une exp´ erience inoubliable

et enrichissante du point de vue scientifique, professionnel et humain. Je remercie aussi

mes coll` egues Micka¨el, Van Bac, Xavier, Marie-Laure, Katia, Mariane, Adam, Andereas

Ahn Son... pour l’ambiance amicale et enrichissante. Je souhaite ´ egalement exprimer mes

remerciements ` a toutes les personnes qui ont d’une mani` ere ou d’une autre, particip´ e ` a

la r´ ealisation de ce travail et ` a toutes les personnes que j’ai cˆ otoy´ ees ` a l’Institut National

Polytechnique (INP) et ` a l’´ Ecole Nationale Sup´ erieure des Ing´ enieurs en Arts Chimiques

Et Technologiques (ENSIACET) de Toulouse.

B´ eja¨ıa et ` a Mauro Boero, directeur de recherche ` a l’IPCMS de Strasbourg. Ils m’ont initi´ e au monde de la recherche scientifique.

Enfin j’ai une pens´ ee toute particuli` ere pour ma famille, mes amies et amis, qui m’ont

tous t´ emoign´ e un soutien ind´ efectible tout au long de mes ´ etudes. Qu’ils en soient ici tr` es

chaleureusement remerci´ es.

Introduction g´ en´ erale 1

1 Synth` ese bibliographique 5

1.1 Corrosion de l’aluminium . . . . 5

1.1.1 R´ esistance naturelle ` a la corrosion . . . . 6

1.1.2 Domaines de stabilit´ e des couches d’oxyde . . . . 8

1.2 Inhibition de la corrosion . . . . 10

1.2.1 Inhibiteurs de corrosion industriels : les chromates . . . . 10

1.2.2 Inhibiteurs de corrosion respectueux de l’environnement . . . . 11

1.3 Calculs ab initio et ´ equation de Schr¨ odinger . . . . 15

1.3.1 Approche Hartree-Fock . . . . 17

1.3.2 Th´ eorie de la fonctionnelle de la densit´ e (Density Functional Theory : DFT) . . . . 18

1.3.3 Equations de Kohn et Sham ´ . . . . 19

1.3.4 Energie d’´ ´ echange et corr´ elation . . . . 21

1.3.5 Prise en compte des interactions de type van der Waals . . . . 23

1.3.6 Pseudopotentiel . . . . 24

1.3.7 Application de la DFT aux syst` emes p´ eriodiques . . . . 25

1.4 Conclusion . . . . 26

2 Syst` emes ` a l’´ etat isol´ e 29 2.1 Etude de l’atome isol´ ´ e . . . . 30

2.1.1 Dimensions de la cellule de simulation . . . . 30

2.1.2 Cellule de simulation ` a sym´ etrie bris´ ee et calcul polaris´ e . . . . 30

2.2 Etude de l’aluminium massif . . . . ´ 34

2.2.1 Recherche des param` etres optimaux de calcul . . . . 34

2.2.2 Propri´ et´ es ´ energ´ etiques et structurales . . . . 38

2.2.3 Structure ´ electronique . . . . 41

2.3 Construction des surfaces Al(111) . . . . 44

2.3.1 Mod` eles . . . . 44

2.3.2 D´ etermination du mod` ele pour la surface Al(111) . . . . 48

2.4.2 Conditions de calcul . . . . 61

2.4.3 Analyse structurale et ´ etude de la stabilit´ e relative des mol´ ecules . . 63

2.4.4 Analyse des charges nettes . . . . 65

2.4.5 Analyse de la r´ eactivit´ e globale des mol´ ecules . . . . 67

2.5 Conclusion . . . . 70

3 Adsorption de la mol´ ecule 8HQ et ses d´ eriv´ es sur une surface Al(111) ` a faible recouvrement 73 3.1 Etat de l’art . . . . ´ 74

3.2 Mise en place des calculs . . . . 76

3.2.1 Choix du mod` ele de la surface Al(111) . . . . 76

3.2.2 Construction des syst` emes mol´ ecules/substrat . . . . 79

3.2.3 Grandeurs issues des calculs . . . . 80

3.3 Energies d’adsorption, topologies et transferts ´ ´ electroniques . . . . 81

3.3.1 Mol´ ecule α-8HQ sur Al(111) . . . . 81

3.3.2 Mol´ ecule β-8HQ sur Al(111) . . . . 95

3.3.3 Tautom` ere sur Al(111) . . . . 96

3.3.4 Mol´ ecule 8HQ d´ eshydrog´ en´ ee sur Al(111) . . . . 101

3.3.5 Mol´ ecule 8HQ hydrog´ en´ ee sur Al(111) . . . . 105

3.4 D´ eformation de la surface Al(111) . . . . 108

3.5 Variation du travail de sortie . . . . 109

3.5.1 Proc´ edure de d´ etermination du travail de sortie . . . . 109

3.5.2 Variation du travail de sortie . . . . 110

3.6 Analyse de la structure ´ electronique des syst` emes aluminium/8HQ et d´ eriv´ es 115 3.7 Conclusion . . . . 124

4 Adsorption de la mol´ ecule 8HQ et ses d´ eriv´ es sur la surface Al(111) en fonction du taux de recouvrement 127 4.1 Construction des syst` emes mol´ ecules/substrat . . . . 128

4.2 Analyse des donn´ ees ´ energ´ etiques . . . . 128

4.3 Analyse des donn´ ees structurales . . . . 139

4.4 Analyse des transferts ´ electroniques . . . . 143

4.5 Effet du taux de recouvrement sur la variation du travail de sortie . . . . . 147

4.6 Conclusion . . . . 150

Conclusions et perspectives 152

Bibliographie 157

Annexes 177

L’aluminium est parmi les m´ etaux les plus disponibles dans la nature. Il est l´ eger, poss` ede de bonnes propri´ et´ es thermiques et ´ electriques et par un durcissement structural il peut acqu´ erir de bonnes propri´ et´ es m´ ecaniques. Il b´ en´ eficie d’une protection naturelle contre les agents agressifs grˆ ace ` a la pr´ esence d’une couche d’oxyde sur sa surface. De plus, il est recyclable ` a l’infini sans d´ et´ erioration de ses propri´ et´ es et son recyclage ne demande que 5 % de l’´ energie n´ ecessaire ` a sa fabrication par fusion ` a partir du minerai de bauxite, dont les r´ eserves sont estim´ ees ` a 25 milliards de tonnes sur terre. Ceci suscite l’int´ erˆ et des industriels et a engendr´ e une consommation croissante depuis les ann´ ees 1950. Les pays producteurs sont essentiellement la Chine (34 %), la Russie (12 %) et le Canada (8

%). La production mondiale d’aluminium a atteint 43.5 Mt par an en 2011. L’Organisa- tion Mondiale de Coop´ eration et de D´ eveloppement ´ Economiques (OECD) estime que la consommation mondiale pourrait atteindre 120 Mt d’ici 2025 [1].

L’aluminium et ses alliages sont donc des mat´ eriaux de choix pour une utilisation dans

le domaine a´ eronautique notamment. Cependant, l’aluminium comme tous les m´ etaux est

sujet ` a toutes les formes de corrosion. La corrosion est un probl` eme majeur des industriels

pour l’utilisation des m´ etaux. Par exemple, on estime qu’un quart de la production mon-

diale d’acier est d´ etruite par ce ph´ enom` ene tous les ans. D’un point de vue ´ economique,

le coˆ ut de la corrosion repr´ esente, selon l’Organisation Mondiale de la Corrosion (OMC),

3 ` a 4 % du PIB des pays industrialis´ es [2]. En France, ce coˆ ut est estim´ e ` a 1 euro par jour

et par personne. La corrosion est un ph´ enom` ene naturel, c’est un processus chimique de

d´ egradation d’un mat´ eriau par r´ eaction avec son environnement. Elle peut revˆ etir selon l’environnement des formes vari´ ees aboutissant ainsi ` a une attaque g´ en´ eralis´ ee ou locali- s´ ee du mat´ eriau. L’aluminium et ses alliages sont sujets ` a la corrosion g´ en´ eralis´ ee et ` a la corrosion par piqˆ ure, qui sont consid´ er´ ees comme les plus d´ evastatrices. La premi` ere est observ´ ee dans un milieu tr` es acide ou tr` es basique o` u l’aluminium perd sa couche protec- trice d’oxyde sur la surface. La seconde est possible dans un milieu chlorur´ e et consiste en la d´ et´ erioration de la pi` ece en profondeur, alors que la surface paraˆıt g´ en´ eralement saine ou tr` es peu alt´ er´ ee. Ce qui la rend difficilement d´ etectable.

Cependant, un traitement pr´ ealable peut permettre de renforcer la couche d’alumine et d’am´ eliorer la r´ esistance ` a la corrosion de l’aluminium et ses alliages. Plusieurs tech- niques ont ´ et´ e ´ elabor´ ees et conduisent ` a des modifications de la surface du mat´ eriau. Tra- ditionnellement, dans l’industrie a´ eronautique notamment, un proc´ ed´ e chimique ` a base de chromates est utilis´ e. Cependant des directives europ´ eennes imposent des restrictions sur l’utilisation de ses compos´ es qui s’av` erent canc´ erig` enes et toxiques pour l’environnement.

Les inhibiteurs organiques s’imposent alors comme une alternative de substitution. Ils sont disponibles ` a faible coˆ ut et plus respectueux des normes environnementales. Les produits test´ es doivent cependant apporter une protection contre la corrosion au moins similaire aux esp` eces chromat´ ees.

La mol´ ecule de 8-hydroxyquinol´ eine (8HQ) est un candidat de choix. Des ´ etudes ex-

p´ erimentales ont montr´ e que la mol´ ecule agit ` a la fois comme un inhibiteur de corrosion

anodique et cathodique. Elle forme une couche mol´ eculaire sur la surface du substrat et

ainsi empˆ echerait les ´ el´ ements agressifs d’atteindre le m´ etal. N´ eanmoins, les techniques ex-

p´ erimentales ne permettent pas d’acc´ eder aux informations ` a l’´ echelle atomique, dont nous

aurions besoin afin de mieux comprendre le m´ ecanisme d’inhibition de la corrosion. Les

m´ ethodes de physico-chimie quantique peuvent nous fournir des r´ esultats en ce sens. Elles

sont bien adapt´ ees ` a l’´ etude de l’adsorption des mol´ ecules sur des surfaces m´ etalliques. En

effet, il a ´ et´ e montr´ e exp´ erimentalement que la mol´ ecule interagit fortement avec la matrice

d’aluminium. Son m´ ecanisme d’inhibition est donc reli´ e au ph´ enom` ene d’adsorption de la mol´ ecule sur la surface.

Nous nous sommes int´ eress´ es dans ce travail de th` ese ` a l’adsorption de la mol´ ecule 8HQ et ses d´ eriv´ es (le tautom` ere et les deux formes radicalaires d´ eshydrog´ en´ ee et hydrog´ en´ ee) sur une surface d’aluminium ` a divers taux de recouvrement de la surface et ` a la d´ etermi- nation des propri´ et´ es de l’interface mol´ ecules/substrat. Ce qui constitue le fil conducteur de ce travail de th` ese.

Nous pr´ esentons dans le premier chapitre de ce manuscrit une synth` ese bibliographique de travaux exp´ erimentaux sur l’inhibition de la corrosion de l’aluminium et ses alliages.

Ce premier chapitre comprend ´ egalement une partie descriptive sur la m´ ethode de calcul (DFT) utilis´ ee dans le cadre de notre travail.

Le deuxi` eme chapitre consiste en la pr´ esentation des param` etres de calcul optimaux et ` a l’´ etude des syst` emes ` a l’´ etat isol´ e. Nous pr´ esentons dans un premier temps des calculs sur l’aluminium massif et la surface Al(111). Diff´ erentes fonctionnelles, avec et sans prise en compte des interactions de type van der Waals (LDA, PBE et PBE-D) ont ´ et´ e test´ ees.

Dans un second temps nous d´ etaillons les propri´ et´ es structurales et ´ electroniques de la mol´ ecule 8HQ et ses d´ eriv´ es ` a l’´ etat isol´ e. En particulier, leur r´ eactivit´ e globale est reli´ ee aux ´ energies des orbitales HOMO et LUMO.

Le troisi` eme chapitre d´ etaille les r´ esultats associ´ es ` a l’adsorption de la mol´ ecule 8HQ et ses d´ eriv´ es sur la surface Al(111) ` a faible taux de recouvrement. Ceci nous permet d’identifier les modes et les diff´ erentes topologies d’adsorption et de quantifier les types d’interaction ` a l’interface mol´ ecule/Al(111), gouvernant ces syst` emes. Nous d´ emontrons que les mol´ ecules sont tr` es fortement en interaction avec le substrat. Ces interactions sont de type covalent avec une forte contribution des interactions de type vdW.

Le dernier chapitre est consacr´ e ` a l’´ etude des propri´ et´ es des syst` emes mol´ ecules/Al(111) en

fonction du taux de recouvrement, jusqu’` a la formation d’une mono-couche organique com-

pacte sur la surface d’aluminium. Ces mono-couches organiques sur la surface du substrat

ainsi pourrait bloquer l’adsorption des agents agressifs sur la surface.

Synth` ese bibliographique

Dans ce chapitre, nous abordons dans un premier temps les ph´ enom` enes de corrosion, en particulier la corrosion par piqˆ ure de l’aluminium et de ses alliages. Puis nous pr´ esentons une synth` ese bibliographique de travaux exp´ erimentaux sur l’inhibition de la corrosion des m´ etaux. L’accent est mis sur les inhibiteurs respectueux de l’environnement, notamment sur la mol´ ecule de 8-hydroxyquinol´ eine (8HQ), potentiellement efficace pour prot´ eger l’alu- minium et ses alliages contre la corrosion. La derni` ere partie du chapitre consiste en un rappel des principes de base des m´ ethodes de physico-chimie quantique.

1.1 Corrosion de l’aluminium

La corrosion est la d´ egradation chimique d’un mat´ eriau dans un environnement agressif via un ph´ enom` ene d’oxydo-r´ eduction. L’oxydation anodique du m´ etal (Al) est donn´ ee par l’´ equation 1.1 et la r´ eduction cathodique d’une esp` ece pr´ esente en solution (O

, H

) est donn´ ee par les ´ equations 1.2 et 1.3 selon le pH du milieu.

Oxydation anodique de l’aluminium (Al) :

Al → Al

+ 3e

(1.1)

R´ eduction cathodique de l’oxyg` ene :

O

+ 2H

O + 4e

→ 4OH

milieux alcalins ou neutres O

+ 4H

+ 4e

→ 2H

O milieux acides

(1.2)

R´ eduction cathodique des protons :

2H

O + 2e

→ H

+ 2OH

milieux alcalins ou neutres 2H

+ 2e

→ H

milieux acides

(1.3)

Les produits d’oxydo-r´ eduction peuvent ensuite former des produits de corrosion plus ou moins protecteurs, selon les conditions environnementales. L’hydroxyde d’aluminium de formule Al(OH)

est ainsi le principal produit de la corrosion de l’aluminium. Il adh` ere ` a la surface sous la forme d’un gel blanc [3].

1.1.1 R´ esistance naturelle ` a la corrosion

La r´ esistance naturelle ` a la corrosion de l’aluminium provient de la pr´ esence d’un film d’oxyde qui se forme ` a la surface du m´ etal en pr´ esence d’oxyg` ene et dans des conditions favorables. Le film d’oxyde peut ˆ etre vu comme la r´ esultante d’un ´ equilibre dynamique entre la formation de la couche d’oxyde et sa dissolution [4, 5, 6]. Cette couche barri` ere pr´ esente la particularit´ e d’ˆ etre isolante et limite fortement le transport ´ electronique [4]. En solution, le film est compos´ e d’une premi` ere couche d’alumine Al

O

en contact avec le m´ etal et d’une seconde couche d’hydroxyde (boehmite AlOOH ou bayerite Al(OH)

), et la composition, l’´ epaisseur et la structure du film varient selon la pression, la temp´ erature et l’humidit´ e du milieu ainsi que selon le temps d’immersion [7, 8, 9, 10]. La figure 1.1 illustre les diff´ erents domaines de stabilit´ e des couches d’oxyde susceptibles de se former

`

a la surface de l’aluminium en fonction de la temp´ erature. Le corindom α-Al

O

est la

structure la plus stable thermodynamiquement et les autres structures d’oxyde γ, η, δ, β

sont consid´ er´ ees m´ etastables.

Figure 1.1 – Processus de formation des diff´ erents oxydes d’aluminium et s´ equences de transformation

vers la phase d’oxyde stable α-Al

O

[11].

1.1.2 Domaines de stabilit´ e des couches d’oxyde

Comme la majorit´ e des m´ etaux, l’aluminium est sujet ` a diff´ erentes formes de corrosion g´ en´ eralis´ ee ou localis´ ee : galvanique, caverneuse, inter-granulaire, par piqˆ ure ... Cependant, il est plus sensible ` a la corrosion localis´ ee par piqˆ ure quand il est utilis´ e dans des milieux agressifs, notamment en pr´ esence d’halog´ enures (ions F

, Br

, I

et Cl

) et malgr´ e sa r´ esistance naturelle ` a la corrosion grˆ ace ` a la pr´ esence de la couche d’alumine ` a sa surface.

Le diagramme de Pourbaix th´ eorique donn´ e sur la figure 1.2(a) pr´ esente les domaines de stabilit´ e de l’aluminium et les domaines o` u le m´ etal subit de la corrosion dans de l’eau pure (selon le pH de la solution) et ` a une temp´ erature de 25

C. Ces derniers domaines correspondent aux plages de pH o` u l’aluminium est soluble dans l’eau. Pour des pH <

4 l’aluminium est dissout sous forme d’ions Al

et pour des pH > 8 il est dissout sous forme d’ions AlO

/Al(OH)

, tandis que pour des pH entre 4 et 8 l’aluminium est prot´ eg´ e par la couche d’oxyde (Al

O

, H

O). Cependant, ce diagramme ne pr´ esente que des ´ equi- libres thermodynamiques mais pas d’information cin´ etique. De plus, il ne consid` ere pas la pr´ esence d’ions agressifs (chlorures, sulfates ...), ni les effets de la nature de la solution (NaOH, H

SO

, H

PO

, ...). En effet, la nature de l’´ electrolyte utilis´ e peut avoir une in- fluence sur la composition chimique et donc les propri´ et´ es de l’oxyde form´ e qui ne contient pas uniquement de l’oxyde d’aluminium pur. Le diagramme exp´ erimental de l’immersion de l’aluminium dans de l’eau de mer propos´ e par Gimenez [12] et pr´ esent´ e sur la figure 1.2(b) montre des domaines de stabilit´ e diff´ erents. Les domaines de passivit´ e sont r´ eduits et il apparaˆıt des domaines dans lesquels on observe une corrosion par piqˆ ure.

Cette forme de la corrosion (corrosion par piqˆ ure) est consid´ er´ ee comme ´ etant la plus

dangereuse car fortement localis´ ee. Le mat´ eriau peut ˆ etre gravement endommag´ e en pro-

fondeur, en ne pr´ esentant qu’un petit point en surface. Ces points de piqˆ ure en surface

sont cependant les points de d´ epart de la corrosion puis de la rupture du mat´ eriau. Ils sont

facilement identifiables car un d´ epˆ ot blanc de gel Al(OH)

se d´ epose en surface au-dessus

de la piqˆ ure dans le cas de l’aluminium (Figure 1.3). La corrosion par piqˆ ure se d´ ecompose

en deux ´ etapes : une ´ etape d’initiation des piqˆ ures ` a la surface suivie d’une ´ etape de pro-

Figure 1.2 – Diagrammes potentiel-pH ` a 25

C de l’aluminium ; (a) diagramme de Pourbaix dans de l’eau pure [13], (b) diagramme exp´ erimental dans de l’eau de mer [12].

Figure 1.3 – M´ ecanisme de propagation d’une piqˆ ure [3, 14].

pagation en volume illustr´ ee dans la figure 1.3 [15, 16, 17, 18]. Mais le m´ ecanisme exact n’est pas totalement ´ elucid´ e. Un m´ ecanisme commun´ ement admis est : i) adsorption des ions Cl

sur la surface d’oxyde, ii) diffusion de ces ions ` a travers la couche d’oxyde jusqu’` a l’interface m´ etal/oxyde et iii) rupture du film passif et propagation de la piqˆ ure dans le m´ etal.

1.2 Inhibition de la corrosion

Pour assurer la durabilit´ e des structures ` a base d’aluminium ou d’alliages d’aluminium, notamment l’alliage 2024 (teneur en Cu 4% en masse environ) largement utilis´ e dans l’in- dustrie a´ eronautique, il est n´ ecessaire de pr´ evenir ces ph´ enom` enes de corrosion. Le cahier des charges exige notamment une dur´ ee de vie des structures des avions sup´ erieure ` a 30 ans et cela n´ ecessite de mettre en œuvre des moyens efficaces de protection contre la corrosion tout en respectant les normes environnementales.

1.2.1 Inhibiteurs de corrosion industriels : les chromates

Traditionnellement, dans le domaine industriel, pour am´ eliorer la r´ esistance ` a la corro- sion de l’aluminium et de ses alliages des traitements sont utilis´ es qui visent ` a d´ evelopper une couche protectrice ` a la surface du mat´ eriau. Les compos´ es ` a base de chromates Cr

O

et Cr

O

[14, 16, 19, 20, 21] permettent de renforcer la couche d’oxyde via l’adsorption ou l’incorporation de chrome et de cicatriser les zones non recouvertes ou d´ efectueuses via la pr´ esence de Cr(OH)

qui stimule la r´ eparation des sites actifs. De plus la forma- tion d’une couche riche en chrome ` a la surface du mat´ eriau limite la diffusion des esp` eces agressives vers le substrat. Cependant, des directives europ´ eennes imposent des restrictions sur l’utilisation des compos´ es chromat´ es comme inhibiteurs de la corrosion dans l’industrie a´ eronautique, ` a cause de leur forte toxicit´ e et des risques canc´ erig` enes associ´ es.

Les ions molybdate (MoO

), tungstate (WO

), phosphate (PO

) et vanadate (VO

)

ont ´ et´ e test´ es comme substituants des compos´ es ` a base de chrome. Certains sont des inhi-

biteurs anodiques mais ne font apparaˆıtre qu’une zone de passivit´ e imparfaite (VO

) [22]

et une croissance lente du film protecteur. D’autres ont montr´ e une efficacit´ e inf´ erieure ` a celle observ´ ee avec Cr

O

et Cr

O

en formant un film plus ou moins poreux (MoO

et WO

) [19, 20, 21].

1.2.2 Inhibiteurs de corrosion respectueux de l’environnement

Ces derni` eres ann´ ees beaucoup d’efforts ont ´ et´ e entrepris pour trouver des inhibiteurs de substitution plus respectueux des normes environnementales. Les inhibiteurs ` a base de sels de terres rares et des mol´ ecules organiques (carboxyliques, h´ et´ erocycliques ...) pourraient ˆ

etre potentiellement efficaces en remplacement des chromates.

Les sels de terres rares

Les sels de terres rares ont ´ et´ e largement ´ etudi´ es comme inhibiteurs de corrosion de l’aluminium [23, 24]. Hinton et al. [25] ont montr´ e une efficacit´ e variable de quelques sels min´ eraux (LaCl

, CeCl

, YCl

, Ce

(CO

)

et Ce(CH

COO)

) contre la corrosion de l’al- liage 7075. Ces esp` eces sont des inhibiteurs de corrosion cathodiques. D’autres ´ etudes ont montr´ e plus largement les effets inhibiteurs de LaCl

et CeCl

sur la corrosion des alliages des s´ eries 1XXX[26] 2XXX[27, 28], 5XXX[29], 6XXX[30] ou 7XXX[25]. Pour obtenir une efficacit´ e maximale, l’ensemble de ces sels demande une concentration optimale en solution et de longs temps d’immersion. Ils se distinguent par leur action contre la corrosion sous contrainte et la corrosion caverneuse alors que le potentiel de piqˆ ure reste lui inchang´ e.

Mansfeld et al. [31] ont cependant propos´ e un proc´ ed´ e qui permet d’augmenter la valeur du potentiel de piqˆ ure et rend l’alliage moins sensible ` a la corrosion. Ce proc´ ed´ e consiste en un pr´ etraitement pour diminuer la pr´ esence de cuivre sur la surface de l’alliage puis une mise en contact avec une solution de sels de Mo et Ce. Ils ont not´ e un effet de synergie entre les deux compos´ es vis-` a-vis de la protection du m´ etal. Aldykewicz et al. [32], quant

`

a eux, ont d´ evelopp´ e un traitement ` a base de Ce permettant la formation de pr´ ecipit´ es

insolubles qui bloquent les sites cathodiques et diminuent ainsi la r´ eduction de l’oxyg` ene.

Mais ce processus d´ epend du pH de la solution et de la r´ eduction de l’oxyg` ene qui influence l’oxydation de Ce(III) en Ce(IV).

Les mol´ ecules organiques

Les acides carboxyliques sont connus comme des inhibiteurs efficaces de la corrosion des aciers [14, 33, 34, 35, 36, 37, 38], de l’aluminium et des alliages d’aluminium [39, 40, 41, 42, 43, 44, 45]. Il est propos´ e dans la litt´ erature que l’interaction entre l’acide carboxylique et le m´ etal via le groupement COO

conduit ` a la formation d’un film hydrophobe ` a la surface du m´ etal. Cela permet de renforcer la couche d’oxyde, de limiter la germination des piqˆ ures et d’isoler le m´ etal du milieu agressif ext´ erieur. L’efficacit´ e inhibitrice d´ epend for- tement de la concentration en solution, de la nature et de la longueur de la chaˆıne carbon´ ee R reli´ ee au groupement carboxylate. Les mono-carboxylates (C

H

COO

) pr´ esentent une meilleure efficacit´ e d’inhibition de la corrosion de l’aluminium pour des longueurs de la chaˆıne R jusqu’` a n = 11, contrairement aux bi-carboxylates (

OOC(CH

)

COO

) qui pr´ esentent une meilleure protection de l’aluminium pour des faibles valeurs de n [45].

L’efficacit´ e contre la corrosion des compos´ es h´ et´ erocycliques insatur´ es (cycles ` a cinq ou

`

a six atomes) a ´ et´ e largement ´ etudi´ ee [46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53]. Ils contiennent des sites actifs potentiels (O, N, S ... ) susceptibles de former des liaisons chimiques avec les m´ etaux et leurs alliages, ainsi que des cycles carbon´ es capables d’interagir avec la surface du substrat via les ´ electrons π des doubles liaisons. Citons ici la mol´ ecule de benzotriazole (BTA) et ses d´ eriv´ es qui sont de loin les plus utilis´ es de tous. Ils sont consid´ er´ es comme des inhibiteurs ` a dominante cathodique et permettent de limiter la corrosion des alliages aluminium-cuivre [50, 54, 55]. Ils s’adsorbent fortement ` a la surface des particules inter- m´ etalliques riches en cuivre.

La mol´ ecule de 8-hydroxyquinol´ eine (8HQ) est un autre exemple de mol´ ecule inhibitrice

de la corrosion de l’aluminium pur et de ses alliages [54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63]

ainsi que d’autres m´ etaux comme le cuivre [64, 65], le magn´ esium et ses alliages [66, 67, 68, 69, 70, 71], l’acier [72, 73], et le cobalt [74]. La mol´ ecule 8HQ contient des atomes d’oxyg` ene et d’azote, ` a priori fortement r´ eactifs vis-` a-vis des m´ etaux, ainsi qu’un cycle py- ridine avec des sites ` a fort caract` ere ´ electrophile ou nucl´ eophile susceptibles d’´ echanger des

´

electrons avec les surfaces m´ etalliques et donc d’entrer ´ egalement fortement en interaction avec celles-ci. P´ eb` ere et al. [56, 57, 75] ont ´ etudi´ e la corrosion de l’aluminium pur et de l’alliage de l’aluminium 2024 dans une solution neutre chlorur´ ee (0.5 M de NaCl) en pr´ e- sence et en absence de la mol´ ecule 8HQ. Ils ont montr´ e ` a l’aide de mesures de spectroscopie d’imp´ edance ´ electrochimique et d’analyses de surface par spectroscopie de photo´ electrons (XPS) que la pr´ esence de la mol´ ecule 8HQ renforce la couche d’oxyde naturelle. Les au- teurs ont propos´ e un m´ ecanisme de protection contre la corrosion par la formation d’un film mince (< 50 ˚ A), qui serait initi´ e par une ´ etape d’adsorption de la mol´ ecule 8HQ sur la surface. Ce film ralentit la r´ eaction cathodique de l’oxyg` ene et empˆ eche la d´ egradation du mat´ eriau par les agents agressifs pr´ esents dans la solution, assurant ainsi une protection efficace du mat´ eriau. Par microscopie ` a balayage ´ electronique (MEB), ils ont montr´ e la pr´ e- sence d’un film cristallis´ e ` a la surface et ils ont postul´ e la pr´ esence de ch´ elates (Al(8HQ)

not´ es Alq

) au niveau des sites actifs de la corrosion. P´ eb` ere et al. [55, 56] ont aussi mis en ´ evidence des effets de synergie entre les mol´ ecules benzotriazole (BTA) et 8HQ pour la protection de l’alliage 2024 contre la corrosion. Ils ont montr´ e ` a l’aide d’une approche

´

electrochimique d’imp´ edance locale, que la mol´ ecule 8HQ agit sur la matrice d’aluminium et que la BTA agit sur les particules interm´ etalliques. Song-mei et al. [59] ont ´ etudi´ e quant

`

a eux le comportement de l’alliage d’aluminium 2024 dans une solution ` a 3.5% de NaCl en

pr´ esence et en absence de mol´ ecules de 8-hydroxyquinol´ eine (8HQ) et 8-hydroxyquinol´ eine-

5-sulfonique (HQS) ` a l’aide de courbes de polarisation et de spectroscopie d’imp´ edance. En

ce qui concerne la mol´ ecule 8HQ, ils ont abouti aux mˆ emes conclusions que les travaux cit´ es

pr´ ec´ edemment [55, 57, 75] sur le renforcement de la r´ esistance ` a la corrosion de l’alliage

2024 en pr´ esence de la mol´ ecule 8HQ. La mol´ ecule HQS, au contraire, acc´ el` ere le processus

de d´ egradation de l’alliage dˆ u ` a la pr´ esence du groupe -HSO

dans la mol´ ecule. Les travaux

de l’alliage 2024, dont la mol´ ecule 8HQ, proposent ´ egalement la formation d’une couche mince de 8HQ sur la surface du m´ etal. Les auteurs ont expliqu´ e l’action inhibitrice comme une cons´ equence de la suppression de la dissolution des atomes Mg, Cu et Al des zones interm´ etalliques sujettes ` a la corrosion. La pr´ esence des mol´ ecules inhibitrices et leurs effets ne se limiteraient donc pas seulement ` a une action localis´ ee sur la matrice d’aluminium.

Yaro et al. [61] ont utilis´ e les techniques de polarisation et de perte de masse pour ´ etudier la corrosion de l’alliage d’aluminium 5083 dans une solution acide ` a pH = 2 et alcaline

`

a pH = 12 avec et sans la mol´ ecule 8HQ. Ils ont conclu que les sites actifs cathodiques

´

etaient bloqu´ es par l’adsorption de la mol´ ecule 8HQ et que l’efficacit´ e de la protection aug- mentait en fonction de la concentration de la mol´ ecule dans les solutions acide ou alcaline.

Soliman [62] est arriv´ e ` a la mˆ eme conclusion sur l’effet de la concentration de la mol´ ecule dans la solution. Il a montr´ e l’influence de l’addition de la mol´ ecule 8HQ dans une solution de soude ` a diff´ erentes concentrations sur le comportement ` a la corrosion de deux alliages d’aluminium (Al commercial et Al-HO411). Une meilleure protection de l’alliage Al-HO411 par la mol´ ecule 8HQ a ´ et´ e observ´ ee.

Notons ´ egalement que la mol´ ecule 8HQ est parfois utilis´ ee non pas en solution mais direc-

tement d´ epos´ ee sur le substrat par voie sol-gel. Le d´ epˆ ot des films par voie sol-gel sur la

surface de l’alliage d’aluminium AA2024 conduit ` a la formation d’un film stable mais qui ne

le prot` ege pas suffisamment de la corrosion [60, 63]. Yasakau et al. [60] ont ´ etudi´ e l’influence

de l’addition d’inhibiteurs dans des couches sol-gel. La pr´ esence de certains additifs permet

de bloquer les sites actifs de la corrosion sans avoir un effet n´ efaste sur la stabilit´ e des films

hybrides sol-gel. Les auteurs ont rapport´ e que l’addition de la mol´ ecule 8HQ n’affecte pas

la stabilit´ e du film hybride sol-gel d´ epos´ e sur la surface et permet une meilleure protec-

tion contre la corrosion par auto-cicatrisation des sites actifs de la corrosion. L’addition de

benzotriazole, au contraire, rend le film instable et conduit ` a la d´ et´ erioration des propri´ e-

t´ es protectrices du film sol-gel sur la surface de l’alliage. Tian et al. [63] sont arriv´ es aux

mˆ emes conclusions dans leur ´ etude sur les effets de l’inhibition de la corrosion de l’alliage

AA2024-T3 par des couches sol-gel d´ epos´ ees ` a partir d’une solution de silanes contenant

la mol´ ecule 8HQ. La pr´ esence de la mol´ ecule 8HQ renforce les propri´ et´ es d’inhibition de la

corrosion de la couche sol-gel.

Enfin, Balaskas et al. [54] ont explor´ e les propri´ et´ es anti-corrosion de couches de revˆ ete- ments de type ´ epoxy sur l’alliage AA2024-T3 par d´ epˆ ot de nanocapsules d’oxyde de titane (TiO

) contenant la mol´ ecule 8HQ. Les r´ esultats ont montr´ e le renforcement des propri´ et´ es barri` ere de la couche protectrice. Le relargage de la 8HQ sur la surface de l’alliage AA2024- T3 conduit au blocage des pores sensibles ` a la corrosion. Ce relargage de la mol´ ecule 8HQ a ´ et´ e confirm´ e par spectroscopie UV.

En conclusion, les travaux r´ ecents rappel´ es ci-dessus montrent que la 8HQ est une mol´ e- cule de choix pour le remplacement des chromates. Son m´ ecanisme d’action doit cependant ˆ

etre ´ elucid´ e plus en d´ etail. Une d´ emarche num´ erique ` a l’´ echelle atomique permettra de four- nir des informations en ce sens, non accessibles exp´ erimentalement.

1.3 Calculs ab initio et ´ equation de Schr¨ odinger

L’ensemble des m´ ethodes exp´ erimentales utilis´ ees permettent l’´ etude des efficacit´ es des inhibiteurs de corrosion. Cependant, elles sont incapables de fournir des informations ` a l’´ echelle atomique pour comprendre le m´ ecanisme de l’inhibition de la corrosion des m´ e- taux par ces mol´ ecules organiques. Les propri´ et´ es inhibitrices sont reli´ ees au m´ ecanisme d’interaction et aux ph´ enom` enes d’adsorption de ces mol´ ecules sur les surfaces des sub- strats. Leurs efficacit´ es sont fortement corr´ el´ ees ` a la structure ´ electronique des mol´ ecules inhibitrices et des substrats. Les m´ ethodes de physico-chimie th´ eoriques quantiques sont id´ eales pour l’´ etude de ces param` etres. Elles sont largement utilis´ ees pour l’´ etude de la r´ eactivit´ e des mol´ ecules ` a l’´ etat gazeux [76, 77] et l’´ etude de la topologie et de la structure

´

electronique des syst` emes mol´ ecule/substrat [78, 79] pour d´ efinir les modes d’adsorption et qualifier les types d’interactions ` a l’interface mol´ ecule/surface, afin d’analyser et de mieux contrˆ oler leurs propri´ et´ es physico-chimiques.

Nous d´ ecrivons bri` evement dans cette partie la th´ eorie de la fonctionnelle de la densit´ e

aper¸cu de quelques ´ el´ ements de m´ ecanique quantique et diff´ erentes approches pour r´ esoudre l’´ equation de Schr¨ odinger pour des syst` emes mol´ eculaires et solides.

L’´ equation fondamentale ` a r´ esoudre pour d´ ecrire la structure ´ electronique d’un syst` eme

`

a plusieurs corps (noyaux et ´ electrons) est l’´ equation ´ etablie par Erwin Schr¨ odinger (en 1925). Elle est d´ efinie dans le cas stationnaire par l’´ equation 1.4.

H(~ r, ~ R)ψ(~ r, ~ R) = Eψ(~ r, ~ R) (1.4)

avec ψ : fonction d’onde totale du syst` eme, ~ r et R ~ : coordonn´ ees spatiales des ´ electrons et noyaux respectivement, E : ´ energie totale du syst` eme, H : hamiltonien du syst` eme d´ efini dans l’´ equation 1.5 (en unit´ es atomiques)

H = − X

i

1 2 ∇

| {z }

Tn

− X

i

1 2 ∇

| {z }

Te

− X

i

X

Z

| ~ r

− R ~

|

| {z }

V_n−e

+ 1 2

X

X

1

| ~ r

− ~ r

|

| {z }

Ve−e

+ 1 2

X

X

Z

Z

| R ~

− R ~

|

| {z }

Vn−n

(1.5) Dans l’hamiltonien, les deux premiers termes repr´ esentent respectivement les ´ energies ci- n´ etiques des noyaux (T

) et des ´ electrons (T

). Le troisi` eme terme repr´ esente le potentiel

´

electrostatique attractif noyaux-´ electrons (V

). Les deux derniers termes sont les poten- tiels ´ electrostatiques r´ epulsifs ´ electrons-´ electrons (V

) et noyaux-noyaux (V

).

Dans la pratique, mise ` a part le cas de l’atome d’hydrog` ene, il n’est pas possible de r´ esoudre l’´ equation de Schr¨ odinger sans apporter un certain nombre d’approximations.

C’est le probl` eme ` a N corps (plus de deux particules dans le syst` eme).

La premi` ere approximation est l’approximation de Born et Oppenheimer. Elle consiste ` a

s´ eparer le mouvement des noyaux de celui des ´ electrons. Ceci repose sur l’inertie des noyaux

qui est sup´ erieure ` a celle des ´ electrons (pr` es de 1836 fois). En cons´ equence, il est pos´ e que

les ´ electrons ´ evoluent dans un potentiel cr´ e´ e par des noyaux fixes dans l’espace [80]. Le

probl` eme aux valeurs propres des ´ electrons s’´ ecrit alors :

H

ψ

(~ r, ~ R) = [T

+ V

+ V

]ψ

(~ r, ~ R)

= E

( R)ψ ~

(~ r, ~ R) (1.6)

Cette hypoth` ese conduit ` a ´ ecrire la fonction d’onde ψ du syst` eme comme le produit de deux fonctions d’ondes, celle des noyaux (χ( R)) et celle des ´ ~ electrons ψ

(~ r, ~ R) (´ equation 1.7).

Cette forme n’est exacte que si les mouvements des noyaux et des ´ electrons sont s´ eparables.

ψ(~ r, ~ R) = χ( R)ψ ~

(~ r, ~ R) (1.7)

L’approximation adiabatique qui consiste ` a admettre que les d´ eriv´ ees de ψ

(~ r, ~ R) par rap- port ` a R ~ sont faibles, conduit ` a l’´ equation 1.8.

[T

+ V

+ E

]χ( R) = ~ Eχ( R) ~ (1.8)

Les deux ´ equations 1.6 et 1.8 permettent un calcul d´ ecoupl´ e mais interd´ ependant des ´ ener- gies et des ´ etats ´ electroniques et nucl´ eaires.

Penchons-nous maintenant sur deux m´ ethodes, l’approche HF et l’approche DFT, dans le but de r´ esoudre le probl` eme ` a plusieurs corps, probl` eme qui est une difficult´ e fondamen- tale des calculs ab initio dans le domaine de la mati` ere condens´ ee.

1.3.1 Approche Hartree-Fock

La premi` ere m´ ethode propos´ ee par Hartree consistait ` a ´ ecrire la fonction d’onde ´ elec-

tronique comme un produit de fonctions d’onde mono´ electroniques [81]. Cela permettait de

r´ esoudre le probl` eme par une m´ ethode variationnelle. Cette approche faisait apparaˆıtre un

terme d’interaction de coulomb entre un ´ electron et la distribution moyenne des ´ electrons

(potentiel moyen de Hartree). L’´ echec de cette approche a r´ esid´ e dans l’hypoth` ese de d´ epart

du produit de fonctions d’onde ignorant le caract` ere fermionique des ´ electrons. Une am´ e- lioration propos´ ee par Hartree et Fock a consist´ e ` a ´ ecrire la fonction d’onde ´ electronique comme un d´ eterminant de Slater [82, 83], qui se d´ eveloppe en un produit antisym´ etrique de n fonctions d’onde mono´ electroniques. Cette fois, la prise en compte du principe d’ex- clusion de Pauli par l’utilisation de fonctions d’onde antisym´ etriques, fait apparaˆıtre un deuxi` eme terme d’influence des ´ electrons, ` a savoir le potentiel d’´ echange.

Le potentiel d’´ echange, qui contribue ` a l’´ energie de liaison, corrige ainsi l’une des carences de l’approche Hartree, mais ne tient pas compte des effets de corr´ elation du mouvement entre les ´ electrons. On appelle alors « ´ energie de corr´ elation » la diff´ erence :

E

= E

− E

A ce stade la m´ ` ethode donne des r´ esultats honorables quand les effets de corr´ elation sont n´ egligeables devant les effets d’´ echange.

1.3.2 Th´ eorie de la fonctionnelle de la densit´ e (Density Functio- nal Theory : DFT)

Les approches d´ ecrites auparavant n’ont pas permis de r´ esoudre compl` etement le pro- bl` eme ` a N corps. N´ eanmoins, elles ont mis en avant les processus ` a d´ ecrire, ` a savoir les termes d’´ echange et de corr´ elation ´ electroniques. Ces difficult´ es sont en partie contourn´ ees en DFT. La DFT consiste ` a d´ eterminer ` a partir de la densit´ e ´ electronique les propri´ et´ es de l’´ etat fondamental d’un syst` eme compos´ e d’´ electrons en interaction avec des noyaux fixes.

Elle repose sur les deux th´ eor` emes suivants :

– Pour tout syst` eme de particules en interaction dans un potentiel externe V

(~ r), V

(~ r) est d´ etermin´ e uniquement ` a une constante additive pr` es par la densit´ e ρ

(~ r) du syst` eme dans son ´ etat fondamental.

Ce th´ eor` eme permet de compl´ eter le cycle ci-dessous, ce qui signifie que toutes les propri´ e-

t´ es du syst` eme peuvent ˆ etre d´ etermin´ ees, si l’on connaˆıt la densit´ e ´ electronique de l’´ etat

fondamental.

V

(~ r) ⇐ ρ

(~ r)

↓ ↑ (1.9)

ψ

(~ r) → ψ(~ r)

L’´ energie du syst` eme s’´ ecrit alors :

E[ρ(~ r)] = F

[ρ(~ r)] + Z

ρ(~ r)V

(~ r)d~ r (1.10)

F

[ρ(~ r)] = T

[ρ(~ r)] + V

[ρ(~ r)] (1.11) O` u F

est la fonctionnelle universelle qui ne d´ epend pas des syst` emes et contient toutes les contributions ´ electroniques.

– L’´ energie de l’´ etat fondamental du syst` eme est une fonctionnelle unique de la densit´ e

´ electronique ρ(~ r).

Pour chaque V

, l’´ energie de l’´ etat fondamental du syst` eme est la valeur qui minimise E[ρ(~ r)]. La densit´ e ´ electronique associ´ ee est ρ

(~ r) (´ equation 1.12).

E

= E[ρ

(~ r)] = minE[ρ(~ r)] (1.12)

1.3.3 Equations de Kohn et Sham ´

En 1965 Kohn et Sham proposent une r´ esolution de cette ´ equation. L’id´ ee consiste ` a

remplacer le syst` eme d’´ electrons en interaction par un syst` eme fictif d’´ electrons ind´ epen-

dants ´ evoluant dans un potentiel [84], le syst` eme r´ eel et le syst` eme fictif poss´ edant la mˆ eme

densit´ e ´ electronique. Il devient alors possible de r´ eduire la r´ esolution du probl` eme ` a n ´ elec-

trons ` a celui d’un syst` eme de n ´ equations mono´ electroniques coupl´ ees.

L’op´ erateur mono´ electronique de Kohn-Sham est alors d´ efini comme dans l’´ equation 1.13.

H

= − 1

2 ∇

+ V

(~ r) + V

(~ r) + V

(~ r)

| {z }

Vef f(~r)

(1.13)

Avec

V

: potentiel effectif qui contient plusieurs termes : Le potentiel externe V

(´ equation 1.14)

V

(~ r) = ∂E

∂ρ(~ r) = − X

i

Z

| ~ r − R ~

| (1.14)

Le potentiel de Hartree V

(´ equation 1.15)

V

(~ r) = ∂E

∂ρ(~ r) = Z

d~ r ρ(~ r)

| ~ r − ~ r

| (1.15)

Le potentiel d’´ echange et corr´ elation V

donn´ e dans l’´ equation 1.16 en fonction de l’´ energie d’´ echange corr´ elation.

V

= ∂E

[ρ(~ r)]

∂ρ(~ r) (1.16)

Lorsque le spin de l’´ electron est pris en compte, l’´ energie d’´ echange-corr´ elation devient E

(ρ

, ρ

) et pour chaque valeur σ (up, down) de spin le potentiel correspondant s’´ ecrit :

V

= ∂E

[ρ(~ r)]

∂ρ(~ r) (1.17)

D´ eterminer l’´ etat fondamental du syst` eme revient alors ` a r´ esoudre de mani` ere auto-coh´ erente un ensemble d’´ equations aux valeurs propres appel´ ees ´ equations de Kohn-Sham :

H

ψ

= ε

ψ

(1.18)

V

(~ r) = V

(~ r) + V

(~ r) + V

(~ r) (1.19) ρ(~ r) = X

i

n

| ψ

|

(1.20)

Dans l’´ equation 1.18, ε

repr´ esente l’´ energie propre associ´ ee ` a l’orbitale de Kohn-Sham ψ

. Ces derni` eres respectent la relation d’orthonormalisation suivante :

Z

ψ

(~ r)ψ

(~ r)d~ r = δ

(1.21)

L’´ energie totale du syst` eme s’exprime alors en unit´ es atomiques de la mani` ere suivante (´ equation 1.22) :

E

= Z

ψ

( −∇

2 )ψ

d~ r

| {z }

Ec

+ 1 2

Z ρ(~ r)ρ(~ r

)

| ~ r − ~ r

| d~ rd~ r

| {z }

EH

− Z

ρ(~ r) X

i

Z

| ~ r − R ~

| d~ r

| {z }

Eext

− X

i<j

Z

Z

| R ~

− R ~

| +E

[ρ]

(1.22)

1.3.4 Energie d’´ ´ echange et corr´ elation

A ce stade, tous les termes associ´ ` es au calcul de l’´ energie totale (´ equation 1.22) peuvent ˆ

etre ´ evalu´ es, except´ e le terme d’´ echange et corr´ elation. Ce terme contient d’une part les aspects ´ electroniques des interactions ´ electron-´ electron : i) terme d’´ echange qui r´ esulte du caract` ere antisym´ etrique de la fonction d’onde totale ψ (d´ ecoule du spin), ii) terme de corr´ elation de coulomb r´ epulsif entre ´ electrons (d´ ecoule de la charge), iii) terme de correc- tion de la self-interaction qui r´ esulte de l’utilisation de fonctions d’onde ´ electroniques ψ

ind´ ependantes. Ce terme d’´ echange-corr´ elation comprend ´ egalement la correction du terme de l’´ energie cin´ etique. En effet mˆ eme si la densit´ e du syst` eme fictif consid´ er´ e est la mˆ eme que celle du syst` eme r´ eel, l’´ energie cin´ etique d´ etermin´ ee pour le syst` eme d’´ electrons sans interaction est diff´ erente de l’´ energie cin´ etique du syst` eme r´ eel.

L’expression explicite du terme d’´ echange-corr´ elation reste ` a ce jour inconnue, ce qui consti- tue l’une des limites de la DFT. Il existe cependant plusieurs fonctionnelles permettant une

´

evaluation de ce terme d’´ echange et corr´ elation.

Approximation de la densit´ e locale

L’approximation de la densit´ e locale (LDA ou LSDA) repose sur l’hypoth` ese que le terme d’´ echange et corr´ elation ne d´ epend que de la valeur locale de la densit´ e ´ electronique ρ(~ r). Elle s’exprime alors de la mani` ere suivante :

E

[ρ(~ r)] = Z

ρ(~ r)ε

[ρ

, ρ

]d~ r (1.23)

O` u ε

[ρ

, ρ

] est l’´ energie d’´ echange et corr´ elation par ´ electron d’un gaz homog` ene d’´ elec- trons, param´ etr´ ee pour diff´ erentes valeurs de la densit´ e ´ electronique [85]. Il s’agit d’une approche o` u la densit´ e ´ electronique est suppos´ ee homog` ene.

L’expression donne donc des r´ esultats corrects lorsque les syst` emes sont isotropes ou lorsque la densit´ e ´ electronique ρ varie peu. Mais elle ne permet pas de corriger les effets de self- interaction et elle d´ ecrit mal certaines propri´ et´ es comme : i ) le gap des isolants et semi conducteurs, ii ) les ´ energies de liaisons intramol´ eculaires qu’elle surestime iii ) les longueurs de liaisons qu’elle sous-estime iv ) les fr´ equences de vibration des petits syst` emes, v ) l’´ ener- gie de coh´ esion des solides qu’elle surestime ´ egalement.

Approximation du gradient g´ en´ eralis´ e

L’approximation du gradient g´ en´ eralis´ e (GGA) consiste ` a tenir compte des variations locales de la densit´ e ´ electronique ρ(~ r) ` a travers son gradient ∇ ρ(~ r). L’inhomog´ en´ eit´ e de la densit´ e ´ electronique est ainsi prise en compte. Le terme d’´ echange et corr´ elation est alors exprim´ e par l’´ equation 1.24.

E

[ρ(~ r), ∇ ρ(~ r)] = Z

ρ(~ r)ε

[ρ

, ρ

, ∇ ρ

, ∇ ρ

]d~ r (1.24)

En pratique, les fonctionnelles GGA traitent s´ epar´ ement la partie ´ echange et la partie

corr´ elation. Leur formulation peut ˆ etre bas´ ee sur une proc´ edure semi-empirique, qui donne

des r´ esultats remarquables pour de petites mol´ ecules mais de moins bons r´ esultats pour les

syst` emes o` u les ´ electrons sont d´ elocalis´ es (cas des m´ etaux). Elle peut ´ egalement ˆ etre fond´ ee

sur des principes math´ ematiques de m´ ecanique quantique. On peut citer comme ´ etant les plus utilis´ ees les fonctionnelles BLYP [86, 87], PW91 [88], PBE [89, 90, 91].

1.3.5 Prise en compte des interactions de type van der Waals

Une carence de la DFT est l’absence de prise en compte des interactions de type van der Waals (vdW). La DFT est incapable de d´ ecrire correctement ces interactions qui in- cluent de la corr´ elation dynamique et une fluctuation instantan´ ee de la distribution de charge. Ces interactions vdW cependant jouent un rˆ ole important notamment dans les couches mol´ eculaires et peuvent contribuer au ph´ enom` ene d’adsorption dans les syst` emes mol´ ecules/surfaces m´ etalliques. Plusieurs m´ ethodes ont ´ et´ e d´ evelopp´ ees pour rem´ edier ` a ce probl` eme dont la m´ ethode de Grimme [92, 93], la m´ ethode de Tkatchenko et Scheffler [94, 95] et les m´ ethodes vdW-DF [96, 97].

Les m´ ethodes de Grimme et Tkatchenko-Scheffler consistent ` a l’addition d’un terme de dispersion (E

) ` a l’´ energie totale E

calcul´ ee par DFT classique.

E = E

+ E

(1.25)

avec

E

= − S

N

X

X

C

R

F

(R

) terme de dispersion (1.26) F

(R

) = 1

1 − e

fonction d’amortissement (1.27) C

=

q

C

C

coefficient de dispersion (1.28)

et S

: facteur d’´ echelle, R

: distance inter atomique, N : nombre d’atomes dans le syst` eme.

(DFT-D) est faite d’une mani` ere empirique. Le coefficient C

est d´ etermin´ e ` a partir du potentiel d’ionisation atomique (I

) et de la polarisabilit´ e α de l’atome isol´ e. C’est cette m´ ethode que nous avons utilis´ ee dans le cadre de notre travail. Les valeurs des coefficients sont donn´ es dans le tableaux 1.3.5 pour les ´ el´ ements composant nos syst` emes.

El´ ´ ements C

(en Jmm

mol

) R (en ˚ A)

H 0.14 1.001

C 1.75 1.452

N 1.23 1.397

O 0.70 1.342

Al 10.79 1.639

Tableau 1.1 – Valeurs des coefficients C

et R des ´ el´ ements H, C, N, O et Al (m´ ethode de Grimme [92])

Dans le cas de la m´ ethode de Tkatchenko et Scheffler (DFT-vdW), les coefficients sont d´ etermin´ es en fonction de la densit´ e ´ electronique ρ. Les coefficients C

sont exprim´ es en fonction des polarisabilit´ es α et β, ces derni` eres ´ etant exprim´ ees en fonction de la densit´ e

´

electronique ρ

C

= 3 π

Z

α

(iω)β

(iω)dω (1.29)

Enfin les m´ ethodes vdw-DF [97] sont bas´ ees sur la d´ ecomposition du terme d’´ echange et corr´ elation E

(´ equation 1.30) en un terme d’´ echange (E

), de corr´ elation (E

), plus un troisi` eme terme de corr´ elation non local (E

) pour exprimer les interactions vdW.

E

[ρ(~ r)] = E

[ρ(~ r)] + E

[ρ(~ r)] + E

[ρ(~ r)] (1.30)

1.3.6 Pseudopotentiel

Dans tout calcul, la r´ eduction du temps d’ex´ ecution sans forte perte de pr´ ecision sur les r´ esultats est souhaitable. Un des moyens possibles est l’utilisation de pseudopotentiels.

L’id´ ee des pseudopotentiels est de ne traiter explicitement que les ´ electrons de valence dans les ´ equations de Kohn-Sham. Elle d´ ecoule ` a la base de l’approximation des cœurs gel´ es.

En effet, dans les mol´ ecules et les solides, seuls les ´ electrons de valence participent ` a la

formation des liaisons, les ´ electrons des couches profondes (´ electrons de cœur) demeurant quasiment inchang´ es quel que soit l’environnement dans lequel l’atome ´ evolue. Leur traite- ment explicite est alors remplac´ e par l’utilisation d’un pseudopotentiel. Le pseudopotentiel est construit ` a partir de calculs sur l’atome. Il doit ˆ etre additif et transf´ erable. Afin de tenir compte des interactions qui ont perdu leur caract` ere explicite, le pseudopotentiel fictif qui remplace le potentiel effectif dans les ´ equations de Kohn-Sham, doit inclure :

1. l’interaction du noyau avec les ´ electrons de cœur ;

2. le potentiel de Hartree provenant des ´ electrons du cœur ;

3. une composante d’´ echange-corr´ elation due ` a l’interaction entre ´ electrons de cœur et de valence ;

4. la prise en compte d’effets relativistes si besoin.

Il existe plusieurs m´ ethodes pour g´ en´ erer des pseudopotentiels soit ` a norme conserv´ ee [98], soit ` a norme relax´ ee ou des pseudopotentiels PAW [99, 100] qui sont adopt´ es dans ce travail et impl´ ement´ es dans le code VASP. Cette m´ ethode combine des pseudopotentiels et des ondes augment´ ees lin´ eaires (PAW : Projector Augmented-Wave Potentiel). L’id´ ee de la m´ ethode PAW est n´ ee du souci de restreindre le nombre de fonctions de base pour d´ ecrire une fonction d’onde typique dans un solide. L’approche consiste ` a s´ eparer l’espace en deux zones, une zone de cœur et une zone interstitielle et ` a les d´ ecrire avec deux fonctions d’onde diff´ erentes. Dans la r´ egion int´ erieure de cœur, on utilise des fonctions d’onde de type atomique partielles. Ceci est dˆ u au nombre important d’´ electrons dans un faible volume qui d´ efavorise l’utilisation d’ondes planes. ` A contrario, dans la r´ egion interstitielle o` u la densit´ e ´ electronique totale est faible, peu d’ondes planes sont n´ ecessaires pour d´ ecrire les

´

etats de valence ce qui restreint le temps de calcul.

1.3.7 Application de la DFT aux syst` emes p´ eriodiques

Un syst` eme p´ eriodique est par d´ efinition infini et les atomes sont dispos´ es sur un r´ eseau

p´ eriodique. Une maille ´ el´ ementaire peut ˆ etre d´ efinie et reproduite ` a l’infini par les conditions

p´ eriodicit´ e que le r´ eseau direct. Le potentiel de Kohn-Sham pour les syst` emes p´ eriodiques est alors d´ efini par l’´ equation 1.31

V

(~ r) = V

(~ r + L) ~ (1.31)

avec L ~ vecteur de translation du r´ eseau direct qui connecte les points ´ equivalents dans les diff´ erentes cellules. Ceci permet d’exprimer les orbitales de Kohn-Sham sous la forme d’un produit d’une onde plane par une fonction (th´ eor` eme de Bloch, 1928). Les fonctions d’onde ont ainsi la forme suivante :

ψ

(~ r, ~k) = U

(~ r, ~k)exp(i~k.~ r) (1.32)

avec ~k un vecteur du r´ eseau r´ eciproque et U

(~ r, ~k) une fonction de Bloch qui poss` ede la p´ eriodicit´ e du cristal.

U

(~ r, ~k) = U

(~ r + L, ~k) ~ (1.33) De plus, quel que soit G ~ vecteur du r´ eseau r´ eciproque, les fonctions d’onde ψ

et ψ

sont ´ equivalentes, donc la complexit´ e du syst` eme est transf´ er´ ee de l’espace r´ eel vers l’espace r´ eciproque et permet donc de limiter l’´ etude des fonctions d’onde ` a la cellule unitaire du cristal.

1.4 Conclusion

Dans un premier temps, nous avons rappel´ e dans ce chapitre les ´ etapes de la corrosion de l’aluminium et ses alliages et les domaines de stabilit´ e des oxydes form´ es sur la surface.

Comme tous les m´ etaux, l’aluminium et ses alliages sont sensibles ` a diverses formes de corrosion dans un environnement agressif, notamment la corrosion par piqˆ ure.

Dans un second temps, nous avons r´ ealis´ e une synth` ese bibliographique de travaux ex-

p´ erimentaux ant´ erieurs sur des inhibiteurs de corrosion inorganiques et organiques. Pour