Communication Dans Un Congrès Année : 2025

The role of explicit polarizability in molecular modeling of clay-water interfaces across hydration states

Le rôle de la polarisabilité explicite dans la modélisation moléculaire des interfaces argile–eau selon l’état d’hydratation

Résumé

Clay minerals play a central role in soils by controlling fluid structure and transport at the nanoscale. Molecular dynamics (MD) simulations are powerful tools to investigate these processes, but their predictive capability strongly depends on the chosen force field. This work presents a comparative MD study of a montmorillonite mesopore at varying water saturation levels, from fully saturated systems to conditions with only an adsorbed water layer. Simulations were performed using both the polarizable ion model (PIM) force field and the non-polarizable ClayFF reference. The results reveal significant differences in ion distribution, water structuring, and interfacial dynamics between the two approaches. Under saturated conditions, PIM predicts enhanced ion pairing and long-range organization within the diffuse layer, whereas ClayFF yields smoother profiles consistent with continuum descriptions. At low saturation, polarizability-induced surface deformation in PIM leads to a more homogeneous hydration and partial exclusion of cations from adsorption sites, while ClayFF favors localized cation trapping and heterogeneous surface dehydration. Although average in-plane water diffusion coefficients are similar, ClayFF exhibits strong diffusion anisotropy under desaturated conditions, in contrast to the more isotropic dynamics observed with PIM. These results highlight the importance of explicit polarizability for accurately describing clay–water interfaces under environmentally relevant unsaturated conditions.

Les minéraux argileux jouent un rôle central dans les sols en contrôlant la structure et le transport des fluides à l’échelle nanométrique. Les simulations de dynamique moléculaire (DM) constituent des outils puissants pour étudier ces processus, mais leur capacité prédictive dépend fortement du choix du champ de force. Ce travail présente une étude comparative par DM d’un mésopore de montmorillonite à différents niveaux de saturation en eau, allant de systèmes entièrement saturés à des conditions ne comportant qu’une couche d’eau adsorbée. Les simulations ont été réalisées à l’aide du champ de force polarisable basé sur le modèle ionique (PIM) et du champ de force de référence non polarisable ClayFF. Les résultats mettent en évidence des différences marquées entre les deux approches en termes de distribution ionique, de structuration de l’eau et de dynamique interfaciale. En conditions saturées, le modèle PIM prédit un appariement ionique renforcé ainsi qu’une organisation à longue portée au sein de la couche diffuse, tandis que ClayFF conduit à des profils plus lisses, en accord avec les descriptions continues. À faible saturation, les déformations de surface induites par la polarisabilité dans les simulations PIM entraînent une hydratation plus homogène et une exclusion partielle des cations des sites d’adsorption, alors que ClayFF favorise un piégeage localisé des cations et une déshydratation hétérogène de la surface. Bien que les coefficients de diffusion moyens de l’eau dans le plan soient similaires, ClayFF présente une forte anisotropie de diffusion en conditions désaturées, contrairement à la dynamique plus isotrope observée avec PIM. Ces résultats soulignent l’importance de la prise en compte explicite de la polarisabilité pour décrire avec précision les interfaces argile–eau dans des conditions non saturées pertinentes pour l’environnement.

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Dates et versions

hal-05474656 , version 1 (23-01-2026)

Identifiants

  • HAL Id : hal-05474656 , version 1

Citer

Sébastien Le Crom, Christophe Tournassat, Jean-Charles Robinet, Virginie Marry. The role of explicit polarizability in molecular modeling of clay-water interfaces across hydration states. CECAM International Symposium "Molecular modeling in soil science – achievements and perspectives", Sep 2025, Vienna, Austria. ⟨hal-05474656⟩
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