Interfacial water dynamics

par Ines Margret Hauner

Thèse de doctorat en Sciences Mécaniques, Acoustique, Electronique et Robotique

Sous la direction de Daniel Bonn et de Michaël Tatoulian.

Soutenue le 07-06-2017

à Paris 6 en cotutelle avec l'Universiteit van Amsterdam. Faculteit der Natuurwetenschappen, Wikunde en Informatica , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris- Chimie ParisTech-PSL (laboratoire) .

Le président du jury était Hamid Kellay.

Le jury était composé de Gertien Smits, Ellen Backus.

Les rapporteurs étaient Marie-Caroline Jullien, Sander Woutersen.

  • Titre traduit

    L'eau à des interfaces


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l’étude de trois phénomènes interfaciaux reliés à l’eau : (i) la diffusion de protons dans un environnement complexe, (ii) la formation de gouttes et (iii) le déplacement d’huile sous l’effet du déplacement d’une phase aqueuse dans un circuit microfluidique poreux. Dans un premier temps, nous étudions une « quasi-interface », constituée de deux solutions complexes aqueuses de différents pH, telles qu’on les trouve dans les milieux cellulaires. La diffusion des protons ainsi que les dynamiques de réorientation des molécules d’eau sont examinés et nos résultats suggèrent que le transport des protons serait médié par des molécules tampons. La deuxième partie de cette thèse porte sur la rupture de gouttes à l’interface liquide/air. La rupture de gouttes de fluides non-visqueux est un phénomène extrêmement riche et sa description théorique constitue un des cas les plus simples des singularités à temps fini. Dans le chapitre 4 on met en évidence par l’imagerie ultrarapide que l’eau possède une tension de surface dynamique à l’échelle de la milliseconde. Dans le chapitre 5, on s’intéresse à la dynamique de rupture de métaux en évaluant si des mesures électriques permettent de se rapprocher temporellement (et spatialement) au plus près de la rupture (ns). Dans la dernière partie (chapitre 6), on revisite le problème classique du déplacement d’huile avec de l’eau, rencontré dans les techniques de récupération assistée du pétrole (RAP). On s’intéresse au rôle de la topologie de surface de la roche poreuse sur le piégeage de gouttes d’huile et dégage une loi d’échelle générale liant les effets de la rugosité au déplacement du fluide au sein du canal.


  • Résumé

    Water is the most abundant molecule on earth, indispensable for a plethora of chemical reactions and vital to the functioning of most living organisms. Interfacial water is particularly interesting to study as its physicochemical properties deviate significantly from the bulk whilst being of crucial importance to both fundamental research and industrial process design. In this thesis we study the interfacial water dynamics of three highly relevant phenomena by primarily recurring on microfluidics and ultrarapid imaging approaches. The first part focusses on proton diffusion in complex aqueous environments such as the the cytoplasm which remains a central issue in the biowater controversy. We evaluate and discuss the relevance of different proton diffusion mechanisms in cellular mimic solutions. The second part of this thesis is centred around droplet formation dynamics which are not only omnipresent in nature and technology, but also constitute a very rich phenomenon involving finite time singularities. We evaluate the outstanding pinch-off behaviour of water and aqueous solutions at the water/air interface that significantly deviates from other comparable non-viscous liquids on the millisecond time scale. In the last part we study a three phase system consisting of water and oil embedded in different ‘rough’ microstructures. Surface topology is identified as important determinant for the relative wettability behaviour of oil and water which constitutes a key finding for the development of efficient and environmentally compatible enhanced oil recovery strategies.


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