Thermodynamique de L'eau en Confinement Extrême

il y a 3 semaines


Montpellier, France Université de Montpellier Temps plein

**Thermodynamique de l'eau en confinement extrême // Thermodynamics of water in extreme confinement**:

- Réf **ABG-121992**
**ADUM-55695**
- Sujet de Thèse- 29/03/2024- Contrat doctoral- Université de Montpellier- Lieu de travail- Montpellier Cedex 5 - France- Intitulé du sujet- Thermodynamique de l'eau en confinement extrême // Thermodynamics of water in extreme confinement- Mots clés- Nanomécanique, Nanofluidique, Nanotube, Eau
- Nanomechanics, Nanofluidics, Nanotube, Water**Description du sujet**:

- 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 int



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