Nano-rhéologie ionique aux interfaces solide/électrolyte

Ionic Nano-Rheology at Solid/Electrolytes Interfaces

• Auteur / Autrice : Guilhem Mariette
• Direction : Jean Comtet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et Ingénierie de la Matière Molle

Mots clés

Mots clés libres

Interfaces solide/liquide

Microscopie à Force Atomique

Electrolyte

Nanorheologie

Nanorheology

Electrolyte

Atomic Force Microscopy

Solid/liquid interfaces

Résumé

La plupart des interfaces solide/liquide sont caractérisées par une séparation spatiale de charges à l'interface, causée par la dissociation des charges de surface à la surface solide, qui se retrouvent écrantées par une couche diffuse de contre-ions au sein du liquide [1]. La dynamique de cette 'double couche électrostatique' de taille typiquement nanométrique a une importance fondamentale pour divers domaines tels que le stockage de l'énergie (super-condensateurs, batteries), la récupération d'énergie, ou la nano-filtration... Cependant, les couplages dynamiques entre le transport des charges ioniques et l'écoulement du liquide à ces interfaces ('effets électrocinétiques') restent mal compris. On peut citer notamment des divergences de longue date entre charges de surface statiques et dynamiques [2], des rapports controversés sur le déplacement des charges de surface par écoulement [3] ou encore la mise en évidence d'une sur-dissipation 'électro-visqueuse' lors de la déformation de la double couche électrostatique [4]. Ces observations appellent le développement de nouvelles méthodologies expérimentales pour sonder quantitativement la réponse dynamique de ces interfaces solides/liquides chargées. L'objectif de ce doctorat est précisément de sonder la réponse hors équilibre de la double couche électrostatique sur une large gamme dynamique, grâce au développement d'une nouvelle méthodologie de microscopie à force atomique dynamique, basée sur un Microscope à Force Atomique diapason. Ces techniques ont récemment démontré leur potentiel pour l'étude de la nano-rhéologie des liquides non volatils [5], [6] et seront ici adaptées à l'étude des processus dynamiques dans des solutions aqueuses. En particulier, nous étudierons la réponse dynamique de ces interfaces chargées sous l'écoulement induit par une sonde colloïdale oscillante, afin d'extraire la réponse rhéologique conservative et dissipative complète associée à la déformation de la double couche, et ainsi obtenir de nouvelles informations sur les effets électrocinétiques se déroulant à ces interfaces. Ces mesures seront effectuées en faisant varier systématiquement la physicochimie de la solution aqueuse et les propriétés des surfaces solides, ce qui permettra d'amener un nouvel éclairage sur les processus moléculaires se déroulant à l'échelle intime de l'interface solide/liquide.

Most solid/liquid interfaces are characterized by a net spatial separation of charges, due to the dissociation of surface charges on the solid surface, which get screened by a diffuse layer of counter-ions in the liquid [1]. The dynamics of this “Electric Double Layer” of typical nanometric size, has fundamental importance for diverse domains such as energy storage (super-capacitors, batteries), energy harvesting, or nanofiltration However, the dynamic couplings between ionic charge transport and liquid flow at these interfaces (“electrokinetic effects”) remain poorly understood, with e.g. long-standing discrepancies between static and dynamic surface charges [2], controversial reports of flow-induced shift of the surface charges [3] or peculiar “electro-viscous” over-dissipation during deformation of the electric double layer [4]. These observations call for the development of novel experimental methodology to quantitatively probe the dynamic response of charged solid/liquid interfaces. The aim of this PhD is to investigate the full out-of-equilibrium response of the ionic double layer over decades of dynamic range, by developing new dynamic Atomic Force Microscopy methodology, based on Tuning-Fork AFM. These techniques have recently demonstrated their potential for the investigation of the nano-rheology of non-volatile liquids [5], [6] and will be here adapted to study dynamic process in aqueous solutions. In particular, we will probe the dynamic response of these charged interfaces under the flow induced by an oscillating colloidal probe, to extract the full conservative and dissipative rheological response associated with the deformation of the double layer, and gain novel insights on the coupled electro-kinetic effects taking place at the interface. These measurements will be carried out by systematically varying the physicochemistry of the aqueous solution, and the properties of the solid surfaces, ultimately shedding new lights on the molecular processes taking place at the intimate scale of the solid/liquid interface.