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 du LCH (CNRS/ENS Lyon/Université Claude Bernard) s'est récemment attelé à étendre la théorie thermodynamique classique pour modéliser des propriétés essentielles comme la tension du surface, 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 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 ou Thomas Young dès le début du XIX^ème siècle, c'est à Josiah Willard Gibbs que l'on doit les lois thermodynamiques qui décrivent la tension de surface de la matière, jamais remises en question jusqu'ici.

A l'heure de la microfluidique où les liquides s'écoulent et réagissent dans des canaux de la taille d'un cheveu, des matériaux nanoporeux où les surfaces d'échanges sont plus importantes que le matériau 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 (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, 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 intégrale (notion associée à la tension superficielle 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 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