Nanofluidique avec le carbone activé: de l'énergie bleue à la mémoire ionique

Activated carbon nanofluidics: from blue energy to ionic memory

• Auteur / Autrice : Théo Emmerich
• Direction : Lydéric Bocquet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 06/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Aleksandra Radenovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydéric Bocquet, Fabien Montel, Laurent Joly, Radha Boya
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Montel, Laurent Joly

Mots clés

Mots clés libres

Nanofluidics

Ionic transport

Nanofluidique

Transport ionic

Résumé

Pour étudier les fluides nano-confinés avec une approche expérimentale, la première étape est de fabriquer le conduit. C'est une part importante, si ce n'est la plus importante, du travail. Dans les vingt dernières années, la technologie nano-fluidique a énormément progressé, entrainée par l'avènement des nano-matériaux et les progrès des techniques de nano-fabrication. En 2016, une technologie particulièrement avancée a été présentée : les angstro-fentes présentés par Radha Boya et al. Elles permettent un controle du confinement avec une précision atomique et jusqu'a un atome, atteignant donc la limite de la matière. Cette technologie a permis des avancées majeurs concernant l'étude de l'eau et du transport ionique fortement confiné. Le but initial de cette thèse était le développement d'une technologie, nommée retrospectivement nano-canaux en carbone activé, similaire aux des angstro-fentes. Plus qu'une source d'inspiration, ces dernières sont utilisés dans cette thèse comme étalon pour les conduits activés. Nous verrons que les différences dans le procédé de nano-fabrication entre les angstro-fentes et les canaux activés ont pour conséquences une augmentation considérable du transport ionique dans ces derniers, justifiant ainsi leur appellation. En particulier, les canaux activés sont très efficace pour la génération d'energie osmotique (bleue) provenant de gradient de salanité. En plus d'une importante magnitude, le transport ionique peut aussi être exotique dans les canaux activés. On révèle un effet mémoire (ou memristor), signifiant que la conductance du système est fortement dépendante des voltages appliqués dans le passé. Nous verrons que cette mémoire a une durée de vie de plusieurs heures et est similaire à la plasticité synaptique. Elle peut être utilisé pour effectuer des opérations inspirés du fonctionnement du cerveau. Le dernier résultat de ce travail étant l'implémentation de la règle de Hebb avec un canal en carbone activé.

In order to pursue experimental investigations of nanoconfined fluids, the first step is to fabricate the conduit. This is actually an important, if not the most important, part of the job. Over the last two decades, nanofluidics technology has been booming fostered by the advent of nanomaterials and the progress of nanofabrication techniques. In 2016, a particularly advanced platform, developed by R. Boya et al., was put forward: the Angstroslits. They allow atomic-scale control over the confinement down to a single atomic layer hence reaching the limit of matter. This technology enabled major advances regarding the study of ultra-confined water and ionic/protonic transport. The initial goal of the P.h.D was to develop a technology, named retrospectively ac- tivated carbon nanochannels, taking inspiration from the Angstroslits, often referred to as pristine carbon nanochannels in this work. More than a source of inspiration, the latest will also be used as a benchmark for the activated channels here. We will see that the differences in nanofabrication process between pristine and activated channels result in a dramatic enhancement of ionic transport in activated conduits, justifying their appellation. In particular, activated channels are extremely efficient for the harvesting of osmotic (blue) energy coming from salinity gradients. In addition to having a high magnitude, ionic transport can also be exotic in activated nanochannels. We uncover a memory (or memristor) effect, meaning that the device’s conductance can be strongly dependent on the voltages applied in the past. We will see that this memory is spanning over hour-long timescales and is analogous to synaptic plasticity. It can be used to perform brain-like, or neuromorphic, computations; the very last result of the thesis being the implementation of Hebb’s rule on an activated carbon nanochannel.