La combustion de particules métalliques, notamment l’aluminium, suscite un intérêt croissant en raison de leur densité énergétique élevée et de leur capacité à libérer rapidement de grandes quantités de chaleur. Ces matériaux sont particulièrement prometteurs pour des applications dans les domaines de la propulsion, des explosifs métallisés mais aussi des nouvelles sources d’énergies propres.

D’un point de vue mécanistique, tant théorique qu’expérimental, la combustion des particules d’aluminium de taille micrométrique (et plus grandes) est relativement bien documentée. L’aluminium se vaporise et des réactions chimiques se produisent de manière hétérogène à la fois à la surface de la particule et dans la phase gazeuse, formant une flamme de diffusion qui enveloppe la gouttelette. Des produits condensés chauds à base d’alumine nucléent et croissent dans la zone de flamme. En raison de leur point de vaporisation nettement plus élevé que celui de la surface de la particule, les nano-gouttelettes d’Al2O3 sont transportées par thermophorèse et se déposent sur la surface. Les réactions hétérogènes à la surface de la particule contribuent également à la formation d’ Al2O3 condensée chaude. L’ensemble de ces mécanismes conduit à la formation de gouttelette de type « Janus » ce qui explique les écarts observés par rapport à la loi de combustion classique en d², qui suppose une régression de masse uniforme au cours du temps.

Le comportement mécanistique exact de l’alumine condensée à proximité ou à l’interface avec l’aluminium liquide reste mal compris. Étant donné les échelles de temps extrêmement courtes (10 à 100 ms pour la combustion d'une goutte d'aluminium, incluant des processus chimiques très rapides, de l'ordre de la ns) et les températures élevées (2500 à 3500 K), l’étude expérimentale de ce phénomène est difficilement envisageable. Par conséquent, il convient de l’étudier par simulation moléculaire (dynamique moléculaire). C’est l’objectif de ce stage qui peut se prolonger en thèse de doctorat.

Dans une première étape, il s'agira de produire un champ de force (potentiel d'interaction interatomique) via des techniques d'apprentissage automatique, dans la mesure où les potentiels traditionnellement utilisés dans la littérature (ReaxFF et EAM) ne sont pas adaptés aux hautes températures où la matière est essentiellement à l'état liquide. La formation de tels potentiels requiert la mise à disposition de données issues de calculs ab initio, base de données qu'il s'agira de compléter avec des systèmes modèles pertinents en relation avec les conditions opératoires de la combustion. Dans une deuxième étape, le potentiel sera utilisé afin de simuler l'interaction d’agrégats d'alumine avec une goutte d'aluminium liquide. Les conditions de stabilité de ces agrégats en surface ou à l'intérieur de la goutte d'aluminium seront évaluées (température, taille des agrégats par exemple ...).