Transport de chaleur aux interfaces et configurations nanometriques liquide/solide – HotLiNe

Avec l’évolution rapide des méthodes d’élaboration de nouveaux matériaux et de nouveaux systèmes nano-architecturées, il est aujourd'hui possible de fabriquer divers matériaux nanoporeux de surfaces internes fonctionnalisées leur conférant des propriétés spécifiques vis à vis des fluides. De nombreuses applications à fins technologiques, telles que les surfaces hydrophiles/hydrophobes nanostructurées et récemment icephiliques/glaciophobes ou les nanofluids sont concernées. En outre, avec la réduction continuelle de la taille des MEMS/NEMS (Micro et Nano-Electro Mechanical Systems), certains problèmes tribologiques, dûs à la couche d’eau présente entre les surfaces en interaction à l’ambiante apparaissent.
Dans ce contexte, le projet HotLiNe vise à produire de nouvelles connaissances sur le transport de chaleur entre un liquide et un solide à l’échelle nanométrique. Il vise une meilleure gestion thermique des nanodispositifs comprenant des interfaces complexes, des matériaux nanoporeux ou de l’interaction entre une surface solide et un liquide. Il considère essentiellement les deux cas concrets suivants où des interfaces solide/liquide peuvent jouer un rôle crucial sur la dissipation de la chaleur: (1) divers siliciums nanoporeux (np-Si) de pores remplis de liquides de différente densités, (2) le ménisque liquide au contact entre une pointe de microscopie thermique à sonde locale (SThM: Scanning Thermal Microscopy en anglais) en silicium et divers substrats de Si avec différentes propriétés de surface.
Pour atteindre ses objectifs, le projet rassemble les compétences interdisciplinaires très complémentaires de trois partenaires: CETHIL, LEMTA et INL. Ces laboratoires académiques ont tous trois déjà obtenu des travaux précurseurs dans le champ de recherche du projet.
La stratégie scientifique et technologique d’ HotLiNe est divisée en trois tâches principales: Tâche1 «Elaboration et caractérisation microstructurale des échantillons» concerne la fabrication des échantillons de Si et np-Si de surfaces modifiées chimiquement et la caractérisation de la microsctructure de ces échantillons. Tâche2 «Modélisation et simulation» traite de l’élaboration de modèles et simulations numériques des systèmes élaborés. Des méthodes de Monte Carlo adaptée à la modélisation de systèmes macro-microscopiques permettront de lier les simulations atomistiques utilisant la Dynamique Moléculaire et les résultats de mesures expérimentales obtenus dans la Tâche 3. Tâche3 «Caractérisation thermique et corrélation des données calculées et mesurées» considère en effet la caractérisation thermique des nanohybrides np-Si-liquide et des interfaces liquide-Si en fonction de la température au moyen de méthodes photo-thermiques et d’expériences originales utilisant des pointes de SThM.
Les principaux résultats du projet HotLiNe seront de nouvelles connaissances sur le transport de chaleur entre un liquide et un solide à l’échelle nanométrique. Le projet apportera également une meilleure compréhension de l’interaction entre la sonde et un échantillon en SThM.
L’exploitation de la nouvelle connaissance scientifique produite et des nouveaux outils de simulation validés expérimentalement devrait permettre de définir des lois de design basées sur la fonctionalisation des surfaces solides pour une meilleure gestion thermique des systèmes présentant des interfaces solides/liquides ou intégrant des matériaux nanoporeux. La proposition de lois de conception pour des dispositifs fonctionnalisés tels que les MEMS/NEMS peut également être envisagée. En outre, nos travaux auront un impact direct sur plusieurs autres applications qui impliquent des systèmes hybrides liquide/solide. Gérer les échanges de chaleur dans ces systèmes à l’échelle nanométrique ouvre la voie à plusieurs applications dans divers domaines tels que l’efficacité énergétique avec l’intensification de transfert dans l’échangeur de chaleur et les processus, la métrologie par microscopie à sonde locale...