Étude expérimentale de la cavitation dans les milieux mésoporeux

Experimental study of cavitation in mesoporous materials

• Auteur / Autrice : Marine Bossert
• Direction : Étienne Rolley
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....) - Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Huber
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Lebeau, Xavier Noblin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elisabeth Charlaix, Fredéric Caupin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaleur d'adsorption

Tensions (chimie)

Nucléation

Alumine

Silicium poreux

Matériaux poreux

Cavitation

Mots clés libres

Cavitation

Nanopores

Isothermes d’adsorption

Théorie classique de la nucléation

Tension de surface

Fluide confiné

Silicium poreux

Alumine poreuse

Cavitation

Adsorption Isotherms

Mesoporous materials

CNT

Surface tension

Confinement

Evaporation

Porous Silicon

Porous Alumina

Résumé

Cette thèse présente une étude expérimentale de la cavitation dans des matériaux mésoporeux silicium poreux et l'alumine poreuse, a priori constitués de pores droits et indépendants, de quelques dizaines de nanomètres de diamètre. Nous avons développé une technique simple pour réduire l'ouverture des pores, afin de favoriser l'évaporation dans les pores par cavitation. La quantité de liquide adsorbé est mesurée avec précision par interférométrie. La première partie de la thèse présente les preuves directes de l'existence de la cavitation dans les nanopores. Dans des pores larges (d > 10 nm) et sur une grande gamme de température, les seuils pour l'azote sont cohérents avec les prédictions de la Théorie Classique de la Nucléation (CNT). Loin du point critique, nous observons une déviation de l'ordre de 20% entre les seuils mesurés et théoriques. Cette déviation peut s'interpréter dans le cadre de la CNT, si on prend en compte la dépendance de la tension de surface avec la courbure des bulles. Pour des matériaux avec des pores étroits, en particulier le SBA16 (d ≈ 6 nm), les seuils de cavitation dépendent du rapport des rayons du germe critique et du pore, indiquant un effet de confinement. La deuxième partie de la thèse est consacrée au silicium poreux. Des mesures systématiques d’isothermes d'adsorption en fonction de la température sur différents types d'échantillons montrent que la structure du silicium poreux ressemble plus à un réseau de pores 3D désordonnés et interconnectés qu’à une assemblée de pores droits et indépendants. De plus, des mesures sous contrainte mécanique externe montrent que les effets élastiques ont un impact négligeable sur l'adsorption.

This thesis presents an experimental study of cavitation in porous silicon and porous alumina, mesoporous materials which are both generally thought to be made of straight, independent pores, with a diameter of few tens of nanometers. In order for the pores to empty through cavitation, we developed a simple technique to reduce their aperture. In the first part of the thesis, we demonstrate that cavitation occurs in nanopores. In large pores (d > 10 nm) and over a wide temperature range the cavitation thresholds measured for nitrogen are consistent with predictions from Classical Nucleation Theory (CNT). Far from the critical point, we observe a deviation of the order of 20% between the measured and theoretical thresholds. This deviation can be interpreted in the CNT framework by taking into account the surface tension dependence with the curvature of the bubbles. For materials with small pores - such as SBA16 (d ≈ 6 nm) - the cavitation threshold depends on the ratio between the radii of the critical nuclei and the pore, illustrating the presence of interactions between the bubble and the pore walls. The second part of the thesis is dedicated to porous silicon. Systematic measurements of adsorption isotherms with nitrogen and helium over a wide range of temperature in numerous samples suggest that the structure of porous silicon looks more like a disordered and interconnected 3D pore network than an array of straight independent pores. Moreover, sorption measurements on samples under an external stress show that the coupling between mechanics and adsorption is negligible.