Transport ionique à travers un nanotube de carbone : étude théorique des effets spécifiques aux ions et des effets quantiques dans la conductivité
Auteur / Autrice : | Théo Hennequin-Nespoulous |
Direction : | Manoel Manghi |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 17/04/2023 |
Etablissement(s) : | Toulouse 3 |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire de Physique Théorique (Toulouse ; 2003-....) |
Jury : | Président / Présidente : Patrice Bacchin |
Examinateurs / Examinatrices : John Palmeri, Hélène Berthoumieux | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Joly, Benjamin Rotenberg |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Mots clés libres
Résumé
Les enjeux modernes de filtration de l'eau, de production d'énergie à partir de l'eau salée, et de stockage d'énergie avec des liquides ioniques nécessitent une description des phénomènes physiques à l'échelle du nanomètre, à l'interface entre la description continue des fluides et de la description particulaire de la matière. Cette thèse se concentre sur les phénomènes physiques qui ont cours lors du transport des ions en solution dans l'eau à travers les nanotubes en se concentrant sur l'interaction entre les ions et la surface des nanopores, et plus spécifiquement des nanotubes de carbone. Ceux-ci semblent prometteurs d'un point de vue technologique. Ce travail adopte une approche théorique mais nous comparons nos résultats aux données expérimentales lorsqu'elles existent. Dans un premier temps, après avoir passé en revue les mécanismes connus du transport des ions, nous nous intéressons à l'origine de la charge de surface du nanotube de carbone qui participe amplement aux grandes conductivités ioniques de l'électrolyte confiné dans le tube. Pour cela, nous explorons d'abord un mécanisme de régulation de charges des groupements chimiques de la surface, puis nous étudions la charge surfacique du nanotube de carbone quand il est soumis à une tension de grille par une électrode apposée au pore. Pour cela, nous tenons compte des propriétés intrinsèques de ce matériau (métal ou semi-conducteur) et les incluons dans notre modèle théorique pour la conductivité. Ensuite, nous étudions les effets spécifiques aux ions pour analyser leur impact possible sur cette conductivité. Précisément, en plus des effets purement électrostatiques, il existe d'autres effets non-décrits en champ moyen comme la répulsion diélectrique de la surface et le déficit de solvatation, déjà étudiés en partie pour un modèle d'ions ponctuels. De plus, de récentes études expérimentales montrent que l'eau confinée à l'échelle nanométrique voit sa permittivité diélectrique diminuer drastiquement, ouvrant la possibilité qu'une énergie de Born intervienne également dans la barrière d'énergie d'entrée des ions dans le pore. Nous développons pour cela une approche variationnelle de théorie des champs pour des ions de taille finie et montrons à la fois l'impact de la taille des ions et de l'énergie de Born sur la concentration en ions dans la nanopore, directement reliée à la conductivité. Dans un dernier chapitre, nous développons au deuxième ordre notre approche variationnelle dans le but d'inclure la formation de paires d'ions dans la théorie.