– HETER-EAU

Les situations physicochimiques dans lesquelles de l'eau se trouve confinée dans des espaces de taille nanométrique sont très fréquentes. Citons par exemple les canaux ioniques, les cavités intra-protéines, les assemblages colloïdaux, les dispositifs microfluidiques, les zéolithes, etc… Il est généralement supposé que l'eau se comporte de façon différentes, dans ces situations de fort confinement, par comparaison avec l'eau liquide massive, mais il n'est pas encore du tout clair de savoir comment ces différences de comportement son reliées aux propriétés spécifiques des systèmes complexes confinants. On sait aussi, d'un point de vue plus pratique, que l'eau résiduelle joue un grand rôle dans de nombreux procédés industriels en catalyse hétérogène, séparations, etc… Le comportement de l'eau au voisinage d'une surface modèle parfaitement hydrophobe à fait l'objet de nombreux travaux ces dernières années. Dans les situations concrètes qui intéressent les physico-chimistes, y compris à l'interface des sciences du vivant, les surfaces confinantes possèdent une structure et une chimie complexe (on peut penser par exemple à la surface d'une protéine). Le besoin existe donc de comprendre le comportement de l'eau confinée au contact de surfaces complexes et hétérogènes. L'objectif général de ce travail est de comprendre le comportement structural et thermodynamique de l'eau confinée dans des espaces nanométriques hétérogènes. Pour cela, nous avons sélectionné une série de solides nano-poreux à base de silice et de carbone, dont la porosité est contrôlée, et dans lesquelles nous allons effectuer à la fois des expérience de condensation d'eau et des simulations-modélisations moléculaires. La silice pure est un exemple de surface non mouillante (angle de contact ~120°) alors que le carbone se situe dans un régime intermédiaire (angle de contact avec l'eau de ~90°). Ces matériaux comprennent obligatoirement une faible proportion de défauts hydrophiles (groupements silanol dans les silices par exemple). Nous chercherons à comprendre, par comparaison des expériences et des modélisations, comment l'eau se condense autour de ces défauts, et quelle est la proportion/répartition de défauts qui conduisent, ou non, le solide à garder ou à perdre son caractère général d'hydrophobicité. Le partenaire 2 (J. Patarin, Mulhouse) effectuera les synthèses de matériaux : zéolithes purement silicées hydrophobes et carbones nano-poreux obtenus par la méthode de nano-moulage développée et mise au point à Mulhouse. Des études d'intrusion-extrusion d'eau à haute pression seront également conduites dans ce groupe. Le partenaire 3 (J.P. Bellat, Dijon) effectuera des expériences diverses de thermodynamique de la condensation d'eau dans les matériaux synthétisés à Mulhouse. Il s'agira en particulier de produire des données telles que les isothermes d'adsorption à très basse pression et les chaleurs isostériques, lesquelles renseigneront sur les processus d'adsorption sur les défauts hydrophiles, et permettront également de tester et de valider les champs de force développés pour la simulation moléculaire. Des expériences de spectroscopie IR et de diffraction de RX in situ seront également entreprises avec le but de quantifier les éventuelles déformations des solides lors de l'intrusion d'eau à haute pression. Le partenaire 4 (C. Adamo, Paris) développera, à l'aide de méthodes quanto-chimiques, des modèles à l'échelle atomique, de défauts hydrophiles dans les solides nanoporeux, par exemple des « nids silanols » dans une zéolithes purement silicée. Une étude locale de l'adsorption d'eau sur ces défauts permettra de mieux modéliser les champs de force d'interaction utilisés dans les simulations de Monte Carlo. Le porteur de projet (A. Fuchs, Paris), effectuera des simulations condensation d'eau dans les différents solides par la méthode de Monte Carlo dans l'ensemble Gand Canonique. Il récoltera les données venant des différents partenaire et animera les discussions scientifiques qui devraient permettre de dégager des modèles généraux de compréhension du comportement de l'eau nano-confinée. Le principal résultat attendu de ce projet est la compréhension de la façon dont l'eau se condense dans des silices et des carbones nanoporeux.