Contrôle quantique des flux à l'échelle nanométrique
il y a 2 semaines
Informations générales
Intitulé de l'offre : Contrôle quantique des flux à l'échelle nanométrique : démons de Maxwell quantiques pour les séparations à l'échelle nanométrique et la collecte d'énergie (H/F)
Référence : UMR8023-LYDBOC-023
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : jeudi 16 mai 2024
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2135,00 € mensuel
Section(s) CN : Matière condensée : organisation et dynamique
Description du sujet de thèse
Le monde de la fluidique à l'échelle nanométrique est la frontière où le continuum de la mécanique des fluides rencontre la nature atomique de la matière. À bien des égards, les écoulements à l'échelle nanométrique s'écartent des attentes de la théorie du continuum, et de nombreux phénomènes observés restent inexplicables. En particulier, alors que la dynamique de l'eau devrait rester largement classique dans des conditions de confinement extrême, plusieurs expériences - menées en particulier dans nos groupes - ont récemment révélé l'émergence de couplages au niveau quantique entre le transport de l'eau et les degrés de liberté électroniques des matériaux de confinement. Ces expériences ont ouvert la perspective imprévue de contrôler les flux à l'échelle nanométrique par le biais des propriétés électroniques des parois des canaux, à la manière d'un démon de Maxwell. L'objectif de cette thèse est de prototyper théoriquement ces fonctionnalités nanofluidiques quantiques, en vue de les appliquer aux processus de séparation moléculaire et à la collecte d'énergie à l'échelle nanométrique. Le travail théorique sera mené en contact étroit avec les expériences des deux groupes hôtes.
Projets:
1. osmose quantique
La base physique du contrôle quantique des écoulements à l'échelle nanométrique est fournie par le couplage croisé du transport de liquide et du transport d'électrons à l'interface solide-liquide. Jusqu'à présent, nous avons étudié en détail la traînée hydroélectronique - l'induction d'un courant électronique par un écoulement liquide [Coquinot2023, Lizée2023], mais pas son effet réciproque, appelé osmose quantique. L'osmose quantique devrait être l'élément clé des méthodologies de séparation spectrale décrites ci-dessous, et elle est en fait fondamentalement différente de son homologue la traînée hydroélectronique. En effet, alors que les liquides s'écoulant à l'échelle nanométrique restent généralement proches de l'équilibre, les électrons d'un solide peuvent être très éloignés de l'équilibre par l'application d'une grande chute de potentiel. La thèse consistera à développer une véritable théorie hors équilibre de l'osmose quantique basée sur le formalisme de Keldysh, et à évaluer l'importance des effets hors équilibre pour la séparation spectrale.
2) Séparation spectrale
L'osmose quantique constitue le principe de fonctionnement d'une pompe à l'échelle nanométrique. Mais il s'agit en fait d'une pompe très particulière : au lieu de pousser le liquide, elle "tire" plutôt sur ses fluctuations de charge. En accordant le spectre d'excitation du solide à la fréquence caractéristique de l'un des composants du liquide, il est possible d'empêcher activement ce composant de passer par le canal nanométrique. C'est ce que nous appelons la séparation spectrale. Il s'agit d'un principe de séparation entièrement nouveau, semblable au démon de Maxwell, qui discrimine les espèces chimiques en fonction de leurs spectres de fluctuation de charge, comme s'il s'agissait de codes-barres moléculaires. La thèse évaluera le potentiel de la séparation spectrale pour différents systèmes liquides. La cible principale sera le dessalement de l'eau et la séparation des ions, car les ions - même s'ils ont une taille très similaire - peuvent être distingués par les modes de cliquetis de leurs cages de solvatation.
3) L'énergie hydronique
La friction quantique liquide-solide équivaut au transfert direct de la quantité de mouvement des modes hydroniques du liquide aux électrons du solide. Le flux de liquide induit donc un courant électronique : il y a conversion d'énergie hydro-électrique. Nos estimations préliminaires ont montré que cette conversion est étonnamment efficace, pouvant atteindre 50 % dans les systèmes à nanotubes de carbone. L'obtention d'une conversion hydroélectrique efficace à l'échelle nanométrique aurait des implications majeures pour la récupération d'énergie dans les processus de dessalement et la récolte d'énergie bleue par osmose retardée par la pression. L'un des principaux objectifs de la thèse sera de formuler des critères de conception pour de tels systèmes d'"énergie hydronique". En particulier, nous développerons une théorie prenant en compte les modes phonon du solide, dont il a été démontré qu'ils améliorent le transfert de quantité de mouvement liquide-solide [Coquinot2023, Lizeé2023]. Le développement théorique aura un suivi expérimental direct dans les deux groupes hôtes.
Contexte de travail
Thèse au sein de l'équipe Micromégas (LPENS - CNRS), en codirection avec l'équipe de Nikita Kavokine, School of Basic Sciences, EPFL (Suisse)
Contraintes et risques
aucun
Informations complémentaires
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