Nanotubes d’imogolite et propriétés de l’eau confinée : organisation, structure et dynamique

Imogolite nanotubes and properties of confined water : organization, structure and dynamics

• Auteur / Autrice : Mohamed Salah Amara
• Direction : Pascale Launois, Antoine Thill
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Laboratoire Interdisciplinaire sur l'Organisation Nanométrique et Supramoléculaire (Gif-Sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Odile Stéphan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Launois, Antoine Thill, Odile Stéphan, Laurent Michot, Jocelyne Brendlé, Lydéric Bocquet, Stéphane Rols
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Michot, Jocelyne Brendlé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure atomique

Nanotubes

Rayons X -- Diffusion

Mots clés libres

Nanotubes

Imogolite

Organisation

Structure

Déformation

Eau confinée

Dynamique

Nanotubes

Imogolite

Organization

Structure

Deformation

Confined water

Dynamics

Résumé

Ce travail de thèse concerne l'étude des propriétés structurales et de confinement des nanotubes inorganiques d’imogolite. Ces nanotubes d’alumino-silicate et/ou germanate existent sous forme mono- et double-parois avec des diamètres de l’ordre du nanomètre. Nous avons étudié la synthèse de ces nanotubes et le contrôle de leur organisation, leur structure et leur déformation, ainsi que les propriétés de l’eau confinée.Dans les deux premiers chapitres, nous présentons un état de l’art sur les nanotubes d’imogolite et les différentes méthodes expérimentales utilisées. Dans le troisième chapitre, dédié à la synthèse des nanotubes et aux propriétés de nanotubes hybrides, nous présentons une nouvelle méthode de synthèse qui permet d’augmenter d’un ordre de grandeur la longueur des nanotubes double-parois et nous démontrons l’affinité du bromopropanol, une molécule organique, avec des nanotubes hybrides méthylés.Dans le chapitre suivant, nous nous focalisons sur la détermination de la structure atomique des différents nanotubes d’imogolite, naturels et synthétiques, à base de silicium ou de germanium, mono- et double-parois. Les résultats issus des modèles de minimisation géométrique développés sont confrontés, avec succès, à ceux de diffusion des rayons X expérimentaux aux petits et aux grands angles. Le contrôle de l’auto-organisation des nanotubes en poudre est présenté dans le cinquième chapitre. On y analyse de plus la déformation de la base des nanotubes selon leur état d’auto-organisation.Dans le dernier chapitre, nous décrivons le phénomène de déshydratation des imogolites. En combinant les résultats de diffusion des rayons X et de diffusion inélastique des neutrons, nous proposons la séquence de déshydratation suivante : eau externe ‒ eau confinée au centre de tubes ‒ eau liée. Ces deux derniers types d’eau présentent des caractéristiques spécifiques au niveau des modes de translation et de libration.

This work is dedicated to the study of the structure and to the confinement properties of water in imogolite nanotubes. These aluminosilicate (germanate) inorganic nanotubes exist as single (SW) and double-walled (DW) nanotubes with diameters in the nanometer range. This study concerns the synthesis of imogolite nanotubes, the control of their self-assembling, their structure and deformation, and the properties of confined water.In the first two chapters, we present the state of art on the subject and we describe the different experimental methods used in this work. The third chapter is dedicated to the synthesis of the nanotubes and the properties of hybrid nanotubes. We first present a new method of synthesis allowing the increase of an order of magnitude of the length of double-walled nanotubes; secondly, we demonstrate the affinity of the organic molecule bromopropanol with the methylated hybrid nanotubes.Next chapter focuses on the determination of the atomic structure of different types of imogolite: natural and synthetic, silicon or germanium-based, SW and DW. Results are obtained from computational models based on a geometrical structure minimization, in agreement with the results of small- and wide-angle X-Ray scattering experiments.In the next chapter, we explain how to control the self-assembling and organization of imogolites in powder. Moreover, we analyze the shape deformation of the nanotubes according to their organization.In the last chapter, we describe the behavior of confined water molecules in the imogolite powder as a function of temperature. By combining X-Ray and inelastic neutron scattering techniques, we propose the following sequence for dehydration: external water ‒ confined water in the tube center ‒ bounded water. Dynamical properties of confined and bounded waters are found to be drastically different.