Transport hors equilibre de fluides aux échelles nanométriques – NEPTUNE

Exploiter les nombreuses possibilités offertes par le transport d'eau et d'ions à l'échelle nanométrique est un objectif technologique clef dans des domaines aussi variés que l'analyse biochimique, la purification de l'eau ou la production d'énergie. Le contrôle des flux liquides au nanomètre ouvre des perspectives uniques pour les applications, car les propriétés de transport sont radicalement modifiées à cette échelle. Pourtant, au niveau fondamental ce territoire reste largement inexploré et échappe encore à une compréhension détaillée.
Ces dernières années, des avancées majeures ont eu lieu dans ce domaine. Nos développements expérimentaux récents permettent de fabriquer des systèmes nanofluidiques à base de nanotubes uniques en carbone ou nitrure de bore, ouvrant la voie à l'exploration systématique du transport de l'eau et des ions. Ces expériences révèlent des comportements drastiquement différents induits par le confinement dans les nanotubes, comme l'énorme augmentation de l'efficacité de la conversion d'énergie par diffusio-osmose (Siria et al., Nature 2013) ou la super-lubrification qui dépend du rayon des nanotubes (Secchi et al., Nature 2016). Parallèlement, des développements théoriques récents ont permis de décrire le transport électrocinétique à ces échelles en tenant compte des spécificités moléculaires des interfaces, et en s'appuyant sur des simulations moléculaires (profils diélectrique, de viscosité, d'adsorption des ions). Cependant, pour parvenir à des conclusions générales il manque encore des jeux de données expérimentales complets sur l'électrocinétique, la conductivité et la diffusio-osmose pour un même système.
Nous proposons donc d'associer étroitement expériences sur le transport d'électrolytes à travers des nanotubes uniques, théories analytiques et simulations moléculaires classiques et ab initio. Premièrement, grâce à des dispositifs nanofluidiques uniques, nous étudierons expérimentalement le transport d'eau et d'ions à travers des nanotubes uniques de rayon descendant jusqu'à ~1 nm en taille. Deuxièmement, nous explorerons les lois d'échelles pour le transport électrocinétique et électro-osmotique dans des canaux cylindriques, en nous appuyant sur nos théories développées dans le cas plan. Troisièmement, nous réaliserons des simulations moléculaires classiques et ab initio d'eau et d'ions dans des nanotubes de carbone et de nitrure de bore. Les objectifs de ce projet sont:
1. D'effectuer des mesures de flux diffusio-osmostique et électrocinétique, ainsi que de potentiels d'écoulement, dans des nanotubes de carbone et de nitrure de bore, et de développer un cadre théorique unifié pour l'ensemble de ces phénomènes de transport interfaciaux;
2. D'étudier expérimentalement le transport à travers des nanotubes de diamètres variés, sous diverses conditions physico-chimiques, et d'utiliser notre cadre théorique pour établir le rôle précis de la spécificité ionique à l'échelle moléculaire au sein du nanotube;
3. Etablir la base moléculaire de la dépendance du glissement à la surface en fonction du rayon et étudier les effets de la charge de surface et la métallicité des nanotubes de carbone et de nitrure de bore, tant expérimentalement que par simulation;
4. Etendre notre étude au régime fortement non-linéaire du transport de l'eau et des ions en utilisant des hétérostructures carbone / nitrure de bore et explorer si la non-linéarité peut être exploité pour concevoir des membranes sélectives "ion-spécifiques".
Notre collaboration unique entre expérience et théorie apportera une compréhension fondamentale du transport de liquides à l'échelle nanométrique et de sa dépendance avec les détails moléculaires des systèmes nanofluidiques. Ces connaissances auront un fort impact scientifique et économique dans de nombreux domaines, de la conception de membranes innovantes aux technologies de désalinisation et de production d'énergie électrique exploitant la différence osmotique entre eau douce et eau de mer.