Description

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.

Compétences requises

Ce projet est adapté à un(e) étudiant(e) ayant une formation en physique, en physique appliquée, en nanosciences ou en génie électrique. Une connaissance préalable des nanotubes de carbone n’est pas nécessaire. La thèse implique un travail expérimental conséquent, le/la candidat(e) doit donc avoir une appétence particulière pour le travail expérimental. Un goût prononcé pour la recherche et l’apprentissage interdisciplinaires est également essentiel.

Bibliographie

[ PubMed ] [ Cross Ref ] L. Bocquet et E. Charlaix, Chem. Soc. Le Rév. 39 (2010)
[Chaste2012] J. Chaste, E. Eichler, J. Moser, G. Ceballos, R. Rurali et A. Bachtold, Nat. Nanotechnologie. 7 (2012)
[Hummer2001] G. Hummer, JC Rasalah et JP Noworyta, Nature 414 (2001)
[Pascal2011] TA Pascal, WA Goddard et Y. Jung, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108 (2011)
[Takaiwa2008] D. Takaiwa, I. Hatano, K. Koga et H. Tanaka, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105 (2008)
[Thomas2009] JA Thomas et AJH McGaughey, Phys. Le Rév. Lett. 102 (2009)
[Falk2010] K. Falk, F. Sedlmeier, L. Joly, RR Netz et L. Bocquet, Nano Lett. 10 (2010)
[Paineau2013] E. Paineau, P.-A. Nano Lett., 13 (2013)
[Chiashi2019] S. Chiashi, Y. Saito, T. Kato, S. Konabe, A. Orecchini, S. Rols et P. Launois, Nano Lett http://dx.doi.org /10.1037/0033-295X.103.1.123 Yamamoto et Y. Homma, ACS Nano 13 (2019).

Mots clés

Nanomécanique, Nanofluidique, Nanotube, Eau