Couplage entre transport et réactivité dans des systèmes micro- et nanoconfinés. Applications en électrochimie, catalyse et sciences du vivant – MicroNanoChem

Ce projet vise à implanter un nouveau groupe de recherche au sein de l’UMR 8640 autour de thématiques centrées sur les aspects théoriques du couplage entre transport de matière et réactivité chimique ou biologique en milieux micro/nanoconfinés. L’originalité de ce groupe et de ses recherches consiste à considérer l’ensemble multi-échelles de la chaîne mécanistique couplant transport et réactivité et non pas uniquement la réactivité locale comme cela est généralement l’habitude en micro- et nanochimie ou en biochimie.
Ce type d’approche impose des contraintes théoriques sévères liées à la nécessité de traiter les systèmes dans leur continuité (continuum bidimensionnel allant de quelques centaines de micromètres jusqu’aux dimensions nanométriques), à la géométrie et la réactivité hétérogène des micro/nano-objets actifs chimiquement ou biologiquement (conditions aux bornes bidimensionnelles discontinues), ou à la présence de fronts réactionnels (discontinuités locales des gradients de concentrations) rendant inapplicables ou totalement imprécises les méthodes analytiques ou numériques utilisées classiquement pour traiter le couplage transport-réactivité. L’originalité du projet s’appuie donc sur le développement innovant et l’intégration dans un cadre de réactivité physico-(bio)chimique de méthodes de mathématiques appliquées issue principalement de la théorie des transformées conformes. La validité du principe et des approches proposés s’appuie sur un corpus de plus d’une trentaine d’articles publiés par la coordinatrice du projet en collaboration avec le groupe de C. Amatore de l’UMR 8640 où sera implantée à terme l’équipe créée dans le cadre de ce projet.
Les exemples retenus dans le cadre du projet l’ont été pour leur pertinence par rapport à de grands problèmes posés actuellement pour l’interprétation et l’optimisation d’expériences et d’observations faites en micro- et nanosciences grâce aux outils physicochimiques dits « à champ proche » (STM, SECM - Scanning ElectroChemical Microscopy). Ils sont répartis en quatre tâches formellement indépendantes :
- Tâche 1 : Micro- et nano-électrochimie, cinétique et caractérisation analytique : Les travaux récents de la coordinatrice réalisés en collaboration avec le groupe de C. Amatore ont permis de définir et de valider les principes des méthodes mathématiques et numériques. L’enjeu principal de cette tâche est de généraliser ces méthodes à tout système électrochimique (ou analogue) impliquant des cascades mécanistiques arbitraires, en particulier ceux générant des fronts réactifs abrupts. Un programme utilisable en mode « user-friendly » par l’ensemble de la communauté, travaillant de manière transparente pour l’utilisateur dans les espaces conformes adéquats et capable d’ajuster automatiquement ses grilles de calcul de différences finies pour traiter avec précision les front réactionnels sera développé.
- Tâche 2 : Modèles théoriques exacts de SECM ou de contact moléculaires en STM. Il s’agit d’une part de développer des modèles théoriques permettant une étude locale micrométriques des propriétés de conduction ou électrochimiques de matériaux. D’autre part, elle aborde plusieurs problèmes liés aux études d’électrochimie de molécules uniques réalisées par STM (« Molecular Break Junctions ») ou par nanoélectrodes.
- La Tâche 3 concerne la modélisation détaillée des processus physicochimiques impliqués dans les cellules vivantes lors de l’exocytose vésiculaire en relation avec la neurotransmission et les mécanismes de stress oxydatif.
- La Tâche 4 examine une série de problèmes représentatifs liés au couplage transport-réactivité dans des systèmes biphasiques constitués de microgouttelettes transportées ou agitées dans un milieu fluide. Elle est liée à des problématiques représentatives du couplage transport-réactivité en catalyse par transfert de phase, en chimie verte (microémulsions) ou en extraction/remédiation, par exemple de combustibles nucléaires civils usés.