Matériaux poreux: capillarité persistante à l'échelle moléculaire
Publié par Adrien le 21/10/2019 à 08:00
Source: CNRS INC
De par leur capacité à capter et piéger des molécules, les solides microporeux - dont les pores ont un diamètre de l'ordre du nanomètre - sont au coeur de nombreuses applications dans les domaines de la santé, de l'énergie et de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme...). Ils sont par exemple utilisés comme tamis moléculaires, échangeurs d'ions ou catalyseurs (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni des réactifs et...).

Pour autant, la rationalisation du comportement de fluides au sein de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) reste un défi car les modèles de capillarité (La capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Elle est mise en œuvre lorsque les buvards aspirent l’encre,...) validés pour des milieux présentant des pores plus grands ne sont plus pertinents dans des situations de confinement aussi extrêmes. Ainsi, le phénomène de condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement...) capillaire macroscopique, qui correspond à un remplissage discontinu et éventuellement irréversible de la porosité, n'est plus observé dans les milieux microporeux car remplacé par un mécanisme continu et réversible.


Potentiel chimique auquel la nanoporosité zéolithique se remplit reporté en fonction de l'énergie capillaire pour des fluides confinés dans différentes zéolithes purement silicatées. Les symboles pleins correspondent aux valeurs simulées et les symboles vides aux valeurs expérimentales tirées de la littérature.
© Irena Deroche

À l'aide de simulations moléculaires et de mesures expérimentales, les scientifiques de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant par les matériaux de construction (génie...) de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace) et 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 « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) (CNRS/Université Grenoble Alpes) ont étudié le confinement de différents fluides dans des matériaux microporeux de type zéolithes, matériaux microporeux parmi les plus utilisés. Ils montrent que la capillarité et les concepts macroscopiques associés restent pertinents lorsque l'on réduit les dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son...) de la porosité au seuil critique du nanomètre. En développant un modèle théorique permettant de rendre compte de leurs données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), ils obtiennent une estimation fiable et rapide des conditions de remplissage d'un couple fluide/matériau en se basant sur des paramètres simples tels que la taille des pores, la tension (La tension est une force d'extension.) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...). Une manière simple de mettre en adéquation le meilleur matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) et son utilisation optimale.

Référence:
Irena Deroche, Jean Daou, Cyril Picard, Benoit Coasne,
Reminiscent capillarity in subnanopores
Nature Communications 11 octobre 2019
https://doi.org/10.1038/s41467-019-12418-9
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