DS03 - Stimuler le renouveau industriel

Transport de l’eau confinée en matrice molle – TWIST

Résumé de soumission

Ce projet vise à établir un cadre permettant de prédire le transport de l’eau dans les matériaux poreux élastiques. Les matériaux “mous” mettent en effet en jeu plusieurs facteurs qui influencent le transport dans leur nano-canaux: les hétérogénéités en terme d’hydrophobicité/hydrophilicité de la surface confinante, la surface mal définie due à la pénétration plus ou moins profonde de l’eau dans la matrice, et les déformations ou effets mécaniques tels que le gonflement qui sont propres à la nature molle de la matrice et dépendent de l’état thermodynamique µ(T,P) de l’eau confinée. Une description pertinente du transport de l’eau en milieu confiné mous doit donc considérer les effets d’adsorption et de confinement, les mécanismes microscopiques de diffusion ainsi que les déformations locales et globales de la matrice. Nous proposons ici de développer un cadre complet pour décrire le transport de l’eau à toutes les échelles en matrice molle tenant compte des couplages entre l’adsorption et les déformations.
Notre stratégie pour atteindre ce but ambitieux combine des techniques expérimentales bien établies, la simulation numérique à l’échelle moléculaire et des outils théoriques. Par une approche multi-échelle, nous approfondirons nos connaissances des mécanismes fondamentaux du transport, et en particulier le rôle de chaque échelle (du nanomètre à l’échelle macroscopique) affecte le transport. Le programme expérimental est basé sur la complémentarité des échelles spatiales et temporelles couvertes par la diffusion de neutrons et de rayons-X (échelle microscopique), la RMN (échelle mésoscopique) et les mesures de perméance macroscopiques. Au cours de ces différentes investigations, le transport sera caractérisé en conditions pertinentes de contraintes ou déformations et en présence d’un gradient de pression causé par le flux d’eau. La description théorique établira deux équations constitutives : une première relation reliant les paramètres structuraux de la membrane (porosité, aire de surface, taille de pores) aux déformations mécaniques (contrainte, déformation) et une seconde relation reliant les paramètres structuraux de la membrane au transport de l’eau (perméabilité). Nous établirons ainsi une double relation structure/propriété permettant de décrire le couplage entre transport et mécanique à partir de paramètre structuraux communs de la membrane.
En étudiant des systèmes simples mais représentatifs du plus grand nombre des matériaux poreux élastiques en termes de porosité, morphologie de pores, chimie de surface et élasticité, notre but est d’établir une méthodologie qui fournisse une expression robuste de la perméance K(µ,T,s), i.e. la réponse du flux à un gradient de pression, à température T, au potentiel chimique de l’eau µ, et à contrainte extérieure fixée s. A ces fins, nous avons rassemblé une équipe d’experts pour mener à bien ce projet de quatre ans spécialisés dans : (1) la synthèse de matériaux mous caractéristiques, (2) la dynamique de l’échelle moléculaire à l’échelle microscopique, (3) la théorie et simulation moléculaire du transport et poropmécanique des fluides en nanoconfinement, et enfin dans (4) les mesures de transport de l’eau en milieu poreux sous contrainte ou déformation.
En résumé, notre projet fournira une mise à l’échelle rigoureuse des paramètres caractérisant l’échelle atomique pour décrire le couplage entre transport et mécanique sans utilisation de lois empiriques. Un tel outil bénéficiera au secteur industriel dont les produits font usage de matériaux polymérique poreux, actuellement en forte croissance, mais aussi à de nombreuses autres applications industrielles par exemple celles basées sur des matériaux cellulosiques ou encore dans l’industrie alimentaire. D’un point de vue plus fondamental, ce projet introduira une nouvelle façon d’aborder de nombreux processus en biologie.

Coordination du projet

Marie PLAZANET (Laboratoire Interdisciplinaire de Physique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

I.E.M. Institut Européen des Membranes
LIPhy Laboratoire Interdisciplinaire de Physique
Phenix PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX
Laboratoire Navier Centre Laboratoire Navier Centre

Aide de l'ANR 420 876 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 48 Mois

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