Quand les nanosciences nous obligent à voir les bulles d'un autre oeil

A l'échelle du nanomètre, les lois physiques et thermodynamiques qui gouvernent les propriétés de la matière sont souvent modifiées. Ainsi, l'eau confinée condense plus difficilement et deux liquides miscibles peuvent ne plus l'être, ou vice versa, dans un nano canal. Un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) du LCH (CNRS/ENS Lyon/Université Claude Bernard) s'est récemment attelé à étendre la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) classique pour modéliser des propriétés essentielles comme la tension (La tension est une force d'extension.) du surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...), impossible à mesurer à cette échelle. Cette importante avancée théorique est parue dans la revue PNAS et devrait permettre d'optimiser de nombreux systèmes utilisés dans les nanotechnologies.


Les gouttes d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) sur un nénuphar, les bulles de champagne ou l'eau qui monte dans une paille sont autant de manifestations extérieures d'une grandeur physico-chimique qu'on appelle tension de surface. Etudiée par Pierre-Simon de Laplace (Pierre-Simon de Laplace, né le 23 mars 1749 à Beaumont-en-Auge et mort le...) ou Thomas Young (Thomas Young (13 juin 1773-10 mai 1829), est un physicien, médecin et...) dès le début du XIX^ème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...), c'est à Josiah Willard Gibbs que l'on doit les lois thermodynamiques qui décrivent la tension de surface de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...), jamais remises en question jusqu'ici.

A l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) de la microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont...) où les liquides s'écoulent et réagissent dans des canaux de la taille d'un cheveu, des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) nanoporeux où les surfaces d'échanges sont plus importantes que le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) lui-même, ou encore de la nanomédecine qui transporte des nanomédicaments encapsulés dans des nanosphères, nombreuses sont les applications où la matière se retrouve confinée dans des géométries proches de la taille des molécules elles-mêmes.

A cette échelle, le rôle joué par la surface devient prépondérant et les lois thermodynamiques classiques qui permettaient de décrire le système macroscopique ne sont plus forcément valides. Qui plus est, la mesure directe de grandeurs comme la tension de surface n'est souvent pas possible, alors que sa connaissance ou sa modélisation permettraient d'optimiser les propriétés de nombreux nano systèmes.

Dans une récente étude, Wei DONG, chercheur du Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) (CNRS/ENS Lyon/Université Claude Bernard), s'est donc attelé à étendre la théorie de Gibbs pour prendre en compte les effets de surface prépondérants à l'échelle nanométrique. Son travail théorique montre qu'il est alors nécessaire d'introduire des nouveaux concepts, comme deux tensions superficielles distinctes, l'une différentielle et l'autre intégrale (Une intégrale est le résultat de l'opération mathématique, effectuée sur une fonction, appelé...), au lieu d'une seule comme dans la théorie de Gibbs.

Cette avancée théorique a été récemment publiée dans la revue PNAS et devrait permettre de mieux comprendre le comportement des systèmes nanométriques. En outre, la mesure de grandeurs macroscopiquement accessibles, comme l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des...) intégrale (notion associée à la tension superficielle (À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux...) intégrale) de matière dans un système nanoporeux par exemple, devrait permettre de déduire la tension de surface différentielle de ce système grâce au modèle proposé. Les recherches à venir porteront à présent sur sa vérification expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) de ce modèle.

Référence:
Thermodynamics of interfaces extended to nanoscales by introducing integral and differential surface tensions.
W. DONG PNAS 2021 Vol. 118 (3) e2019873118.
https://doi.org/10.1073/pnas.2019873118