Un effet tensioactif mesuré entre du CO2 et de l'eau confiné

Publié par Adrien le 05/09/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
A l'instar de l'effet des produits tensioactifs agissant sur les surfaces entre deux milieux comme l'eau et l'air, il peut exister un effet tensioactif sur les lignes séparant trois milieux. Les physiciens montrent ici pour la première fois un tel effet pour du dioxyde de carbone (Le dioxyde de carbone, communément appelé gaz carbonique ou anhydride carbonique, est un...) (CO2) en contact avec une goutte d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) confinée dans un nanopore.


Champ de concentration en CO2 calculé pour une goutte d'eau confinée dans un pore nanométrique. On visualise avec les couleurs chaudes l'accumulation de CO2 au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) des deux lignes de contact entre les phases solide, liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) et gazeuse (perpendiculaires à l'image).Les calculs montrent que la tension (La tension est une force d'extension.) de ligne peut être modifiée de façon significative, jusqu'à un facteur 10 pour une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) en CO2 de 5 MPa (50 bar) et pour un paroi hydrophile.

La tension de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) caractérise l'énergie propre (Une énergie propre ou énergie verte est une source d'énergie dont l'exploitation ne produit que...) à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre deux corps, telle que la surface d'une goutte d'eau dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) ou d'une bulle d'air dans de l'eau. Un tensioactif (Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux...), comme le savon (Le savon est un objet liquide ou solide composé de molécules amphiphiles composées...) ou les détergents, est un produit qui se fixe à l'interface. Il modifie cette tension de surface et plus généralement les propriétés mécaniques de l'interface. Il facilite ainsi la formation de bulles et stabilise la mousse. Lorsqu'il y a un troisième corps, comme dans le cas d'une goutte d'eau dans l'air reposant sur un substrat solide, apparaît une ligne au contact de ces trois corps. Pour caractériser l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de cette ligne de contact, on parle alors de tension de ligne. En pratique, les effets de tension de ligne concernent essentiellement les objets de taille nanométrique et, bien que le concept de tension de ligne ait été proposé par J. W. Gibbs il y a 150 ans, ses propriétés sont encore mal comprises et difficiles à appréhender: la mesure de la tension de ligne reste un défi tant expérimental que numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...).

En utilisant des simulations numériques de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de...), et grâce à une nouvelle approche fondée sur une mesure de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...), des physiciens du Laboratoire interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) à Grenoble (LIPhy, CNRS/UGA) ont réalisé pour la première fois une estimation précise et sensible de l'effet d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) sur la tension de ligne en démontrant l'effet tensioactif du CO2. Dans le cas d'une goutte d'eau confinée dans un nanopore avec une vapeur () riche en CO2, ils ont calculé la modification de la tension de ligne due à l'accumulation des molécules de CO2 sur la ligne de contact entre la goutte d'eau et la paroi d'un nanopore (figure). De même que les produits tensioactifs abaissent la tension de surface, la présence de CO2 abaisse la tension de ligne, d'autant plus fortement que la pression de CO2 est élevée, et nettement plus fortement dans le cas d'une paroi hydrophile qu'hydrophobe (Un composé est dit hydrophobe (du grec υδρο, hydro = eau, et...). Cette étude est publiée dans la revue PNAS.

Ces résultats montrent que les effets mécaniques induits par un tensioactif de ligne sur la tension de ligne peuvent jouer un rôle clé sur les phénomènes de nucléation. Les domaines concernés sont très variés, avec comme point (Graphie) commun la contribution de structures nanométriques telles que des nanopores ou des nanoparticules en contact avec différentes phases: séquestration du CO2 dans des roches poreuses, purification et dessalement (Le dessalement de l'eau (également appelé dessalage ou désalinisation) est un...) d'eau par membranes nanoporeuses, électrodes poreuses et phénomènes d'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...), phénomènes d'ouverture / fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) de nanopores biologiques ou encore la formation des nuages par condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...) sur les nanoparticules atmosphériques pour ne citer que quelques exemples. La question est maintenant ouverte de savoir si d'autres gaz que le CO2 agissent de manière similaire !

Référence

Carbon dioxide as a line active agent: its impact on line tension and nucleation rate (La rate (en grec ancien σπλήν (splēn), en latin lien, d'où...).
R. Bey, B. Coasne et C. Picard, PNAS, paru le 17 août 2021.
DOI: doi.org/10.1073/pnas.2102449118
Texte disponible sur la base d'archives ouvertes HAL
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