Thermodynamique de l'eau en confinement extrême

Thermodynamics of water in extreme confinement

• Auteur / Autrice : Sébastien Rambal buj
• Direction : François Henn
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Nanostructures et Spectroscopies

Mots clés

Mots clés libres

Nanomécanique

Nanofluidique

Nanotube de carbone

Eau

Nanomechanics

Nanofluidics

Carbon Nanotube

Water

Résumé

Positionnement de la thèse - le confinement de l'eau à l'échelle nanométrique, un domaine récent et incomplet L'eau est de loin le fluide le plus important et le plus étudié de tous les temps, mais la physique de l'eau confinée à l'échelle nanométrique reste largement mystérieuse, malgré son implication majeure dans de nombreux domaines (biologie, géologie, conversion d'énergie, etc.). A l'échelle macroscopique, nous savons que le réseau de liaisons hydrogène est d'une importance capitale pour les propriétés dites anormales de l'eau. De même, les écoulements macro peuvent être décrits avec précision par les équations de Navier-Stokes (sous hypothèse des milieux continus). Cependant, lorsqu'ils sont confinés à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire autour de 1 nm, l'approche continue des fluides s'effondre [Bocquet2010] et nécessite de nouvelles descriptions. Les nanotubes de carbone peuvent être utilisés comme systèmes modèles pour confiner l'eau à l'échelle nanométrique. Ils sont intrinsèquement lisses et peuvent être rendus exempts de défauts, ce qui constitue un avantage pour l'étude des phénomènes à l'échelle nanométrique. Ils sont scientifiquement matures et peuvent être mis en œuvre expérimentalement. Nous savons en outre, que les oscillateurs mécaniques à nanotubes de carbone sont capables de détecter des masses extrêmement faibles, avec une sensibilité de pesée jusqu'à un seul proton [Chaste2012]. Il s'agit donc d'un atout remarquable pour étudier la physique de l'eau à l'échelle nanométrique. Le domaine de la nanofluidique à l'intérieur des nanotubes de carbone est récent et manque de données expérimentales. Il a d'abord été stimulé par des prédictions passionnantes issues de travaux de simulation, montrant le remplissage spontané de nanotubes de carbone (considérés jusqu'à présent comme hydrophobes) par de l'eau [Hummer2001]. Il a ensuite été proposé que ce remplissage soit possible parce que le confinement conduit à des réseaux uniques de liaisons hydrogène [Pascal2011, Takaiwa2008] uniquement à l'intérieur de nanotubes de carbone de faible diamètre (moins de 1,4 nm) [Thomas2009]. Enfin, à cette échelle, il a été calculé que le flux des molécules d'eau peut être sans friction [Falk2011], probablement stimulé par la structure unique de l'eau confinée. Cependant, peu de travaux expérimentaux ont étudié le réseau de liaisons hydrogène [Paineau2013, Chiashi2019] à l'intérieur de nanotubes de carbone de petit diamètre (≤ 1,4 nm), qui, pourtant, induisent de vrais effets de confinement. Une méthodologie révolutionnaire : La nanomécanique pour étudier la structure de l'eau confinée Dans ce projet, nous voulons mesurer pour la première fois les propriétés de l'eau confinée à l'échelle nanométrique à l'intérieur d'un nanotube de carbone individuel et étroit (≤ 1,4 nm). Nous tirerons parti de la sensibilité exceptionnelle des résonateurs nanomécaniques à nanotubes. Plus précisément, nous proposons de : Objectif 1 - Concevoir les dispositifs nanomécanique-nanofluidique, grâce aux technologies de salle blanche qui nous permettront d'injecter de l'eau à l'intérieur de nanotubes de carbone (nanofluidique) vibrant librement dans le vide (nanomécanique). Objectif 2 - Caractériser l'effet du confinement de l'eau à l'échelle nanométrique sur le réseau de liaisons hydrogène, grâce à la nanomécanique. Les structures de l'eau et le diagramme de phase (solide-liquide-gaz) seront étudiés en fonction du diamètre des nanotubes.

Positionning of the thesis - nanoscale confined water, a recent and incomplete field Water is by far the most important and most studied fluid of all time, but the physics of water confined to the nanoscale remains largely mysterious, despite its major implication in many fields (biology, geology, energy conversion, etc.). On the macroscopic scale, we know that the hydrogen bonds network is of central importance in the so-called anomalous properties of water. Similarly, macroscopic flows can be accurately described by the Navier-Stokes equations (under the assumption of continuous media). However, when they are confined to the nanoscale, i.e. around 1 nm, the continuous fluid approach breaks down [Bocquet2010] and requires new descriptions. Carbon nanotubes can be used as model systems for confining water at the nanoscale. They are intrinsically smooth and can be made defect-free, which is an advantage for studying nanoscale phenomena. They are scientifically mature and can be implemented experimentally. We know, moreover, that carbon nanotube mechanical oscillators are capable of detecting extremely small masses, with mass sensitivity down to a single proton [Chaste2012]. This makes them a remarkable asset for studying the physics of water at the nanoscale. The field of nanofluidics inside carbon nanotubes is recent and lacks experimental data. It was first stimulated by exciting predictions from simulation work, showing the spontaneous filling of carbon nanotubes (hitherto considered hydrophobic) by water [Hummer2001]. It was then proposed that this filling is possible because confinement leads to an unique hydrogen bonds network [Pascal2011, Takaiwa2008], only inside carbon nanotubes of small diameter (less than 1.4 nm) [Thomas2009]. Finally, at this scale, it has been calculated that the flow of water molecules can be frictionless [Falk2011], probably stimulated by the unique structure of confined water. However, little experimental work has investigated the network of hydrogen bonds [Paineau2013, Chiashi2019] inside small-diameter carbon nanotubes (≤ 1.4 nm), which, nevertheless, induce real confinement effects. A revolutionary methodology: nanomechanics to study the structure of confined water In this project, we aim to measure for the first time the properties of nanoscale confined water inside a single, narrow carbon nanotube (≤ 1.4 nm). We will take advantage of the exceptional sensitivity of nanotube mechanical resonators. More specifically, we propose to: Objective 1 - Design nanomechanical-nanofluidic devices, using clean-room technologies that will enable us to inject water inside carbon nanotubes (nanofluidics) vibrating freely in vacuum (nanomechanics). Objective 2 - Characterize the effect of nanoscale water confinement on the hydrogen bond network, using nanomechanics. Water structures and phase diagram (solid-liquid-gas) will be studied as a function of nanotube diameter.