Modifications des Propriétés de Fluides Multiphasiques par Confinement Géométrique dans des Matériaux Mésoporeux Avancés – NanoLiquids

================ Matériaux poreux ================
Synthèse: chimie moléculaire des précurseurs bis-silylés, chimie hydrothermale.
Caractérisation de la structure, de la porosité et des interactions de surface (XRD, RMN, DTA, GP, SEM, TEM, DVS, SANS).
==============Liquides en volume et confinés============
Diagramme de phase (DSC, XRD)
Structure (SANS, WANS, Raman, MD)
Dynamique (QENS, BDS, MD)
Solubilité gazeuse (MSB)
Écoulement de fluide (SIA)
============= Principaux équipements utilisés ================
XRD: diffractomètre à rayons X grand angle, TG / DTA / MS: analyse thermique simultanée, GP: physisorption de gaz avec différents adsorbants (N2, Ar, H2O), DVS: sorption dynamique de vapeur, SANS: diffusion de neutrons à petit angle, WANS: diffractomètre à neutrons grand angle, DSC: calorimétrie différentielle à balayage, MD: simulation de dynamique moléculaire, BDS: spectroscopie diélectrique à large bande, QENS: Diffusion quasi-élastique de neutrons, MSB: Balance à suspension magnétique, SIA: Appareil à Imbibition Spontanée

============ Hôtes mésoporeux avancés ==============
Des séries de précurseurs bis-silylés ont été synthétisés et transformés avec succès en PMO. Combinés avec les silicates MCM-41 et SBA-15, le consortium a partagé un ensemble de matériaux poreux avancés (caractérisés par XRD, BET, DVS) qui présente différentes modulations périodiques des interactions de surface (hydrophile / hydrophobe / liaison H).
=====Champ de force et modèles pour la simulation=====
Une méthodologie pour développer un champ de force pour les matériaux PMO a été développée. Nous avons appliqué un processus de polymérisation mimétique des parties organiques et inorganiques. Il a été optimisé pour les PMO divinylbenzène, également étudiés expérimentalement.
=========== Liquides nanoconfinés ==================
1. Eau confinée dans des silicates et des PMO: Un ensemble complet d'expériences a été mené pour évaluer l'adsorption et l'interaction de surface (DVS), le diagramme de phase (DSC) et la dynamique (QENS, BDS). Notamment, les expériences QENS ont été menées conjointement par les 3 partenaires auprès de l'installation neutronique européenne à l'ILL. Par ailluers, des expériences préliminaires de QENS sur la dynamique de l'eau dans des membranes de silicium mésoporeux oxydé en surface ont été menées à l'ILL.
2.t-butanol-toluène dans les silicates et les PMO: au-delà des approches également appliquées pour l'eau, nous nous sommes également concentrés sur la formation possible d'hétérogénéités structurales et dynamiques à l'échelle nanométrique en raison de la nanoségrégation des deux constituants. Ce phénomène a été confirmé structurellement par des expériences de SANS et aussi du point de vue dynamique par diffusion quasiélastique QENS réalisée à l'ILL.

=====Solutions aqueuses======
De nouveaux résultats passionnants obtenus soit à l'état bulk soit sous confinement dans des silicates poreux ont confirmé qu'ils étaient également d'excellents candidats pour d'autres études dans les PMO. En particulier, les agents cryoscopiques (comme le glycérol) ont montré de forts écarts par rapport aux prévisions théoriques de la thermodynamique classique, suggérant une variation de l'activité de l'eau due à la ségrégation spatiale. Un tel phénomène pourrait être renforcé dans les PMO. En plus des agents cryoscopiques, des mélanges aqueux d'ions moléculaires et formateurs de liaisons H, entrant dans la catégorie des Solvants Eutectiques Profonds, seront considérés en confinement suite aux résultats prometteurs que nous avons obtenus en volume.

Press release INP – CNRS Oct. 2020
Articles:
A. Jani, T. Sohier, D. Morineau, J. Mol. Liq., 2020, 304, pp.112701
B. Malfait, A. Pouessel, A. Jani, D. Morineau, J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11 (14), pp.5763-5769
L. Percevault, A. Jani, T. Sohier, L. Noirez, L. Paquin, F. Gauffre, D. Morineau, J. Phys. Chem B, 2020, 124 (41), pp. 9126-9135

Conference:
InterPore2020, 31 Aug.-4 Sept. 2020 “Dynamic Heterogeneities in Liquid Mixtures Confined in Nanopores” A. JANI, R. MHANNA, B. MIETNER, M. BUSCH, B. FRICK, J.-M. ZANOTTI, A. GHOUFI, P. HUBER, M. FRÖBA, D. MORINEAU
InterPore2020, 31 Aug.-4 Sept. 2020 “Water Dynamics in Nanoporous Confinement: A Quasielastic Neutron Scattering Study” A. JANI, B. MIETNER, M. BUSCH, J. OLLIVIER, B. FRICK, M. APPEL, J.-M. ZANOTTI, P. HUBER, M. FRÖBA, D. MORINEAU
InterPore2019, 6-10 May 2019, Valencia, Espagne “Binary solvents in nanoporous confinement: how different are they?” D. Morineau; A. Jani; R. Mhanna; S. Dutta; R. Lefort; I. Essafri; A. Ghoufi; P. Huber; M. Froba; B. Frick; L. Noirez
« Binary solvents in nanoporous confinement: how different are they? », D. Morineau, May 2019, Invited at the Chalmer University, Goteborg (Sweden).
Journées de la Diffusion Neutronique 2019, 16-19 Sept. 2019 Saint-Martin-de-Londres “Toluene/butanol binary solvents confined in periodic organosilicates”, A. JANI, B. MIETNER, V. CRISTIGLIO, P. HUBER, M.FRÖBA, D. MORINEAU
« Nanoconfined liquids », D. Morineau, May 2019, Keynote lecture at The SFNano C’Nano meeting, 10-12 Décembre 2019, Dijon
Journées Scientifiques du GDR 2035 SolVATE, 4-5 Feb. 2019, Lyon “Toluene/Butanol Binary Solvents Confined in Periodic Organosilicates: New Insight From Neutron Diffraction Studies”, A. JANI, B. MIETNER, V. CRISTIGLIO, P.HUBER, M. FRÖBA, D. MORINEAU
JNano19, 13-15 Feb. Rennes “Toluene/Butanol Binary Solvents Confined in Periodic Organosilicates: New Insight From Neutron Diffraction Studies”, A. JANI, B. MIETNER, V. CRISTIGLIO, P. HUBER, M. FRÖBA, D. MORINEAU

Les fluides confinés dans une géométrie poreuse de taille nanométrique présentent des propriétés uniques qui n'ont pas d'équivalent dans les systèmes correspondants en volume. En tant que tels, ils méritent un grand intérêt pour leur potentiel élevé d'innovation technologique. Dans ce contexte, la communauté scientifique a été encouragée à améliorer la connaissance de base des liquides nanoconfinés.
Au cours de la dernière décennie, un nombre impressionnant de propriétés physico-chimiques ont été étudiées lors du confinement d'un fluide dans un milieu mésoporeux. De façon générale, il apparaît que la nature de l'interaction surface-liquide et les paramètres géométriques de confinement affectent fondamentalement les changements de phase, la structure, la dynamique et l’écoulement de fluide, conduisant à des phénomènes physico-chimiques originaux.

La prochaine étape dans le domaine serait de diriger les (nouvelles) propriétés des nanofluides à volonté. Actuellement, un grand nombre des systèmes étudiés comprennent une seule phase fluide confinée dans un matériau poreux «passif», ce qui est considéré comme une limitation à de tels développements. Pour cette raison, l'objectif du projet NanoLiquids est d'explorer les propriétés de nouveaux systèmes qui permettraient un contrôle sans précédent des interfaces, basé sur le nanoconfinement de fluides multicomposants dans des matériaux poreux fonctionnalisés avec une chimie de surface modulée périodiquement.

Partant des études de la structure à l’échelle mésoscopique et de la dynamique des systèmes binaires, nous étudierons les propriétés physico-chimiques des mélanges confinés dans des milieux mésoporeux. En particulier, notre projet étudiera les phénomènes de microséparation de phases, l’hypersolubilité des gaz et les changements de comportement rhéologique des fluides induits par le confinement ainsi que l'interaction entre ces phénoménologies. Ces études ne seront possibles que par la combinaison d'un grand nombre de méthodes complémentaires et de compétences en physique et en chimie, à la fois expérimentales et numériques, englobant des fenêtres temporelles et spatiales allant des échelles moléculaires aux échelles macroscopiques et apportant une forte valeur ajoutée à cette collaboration franco-allemande.