CE42 - Capteurs, instrumentation

Microscopie Electronique en Transmission d'Objets Hydratés et de Liquide sans Membranes – WATEM

Condensation d’eau sur aérosols dans un Microscope Electronique en Transmission Environnemental (ETEM)

Etude in situ de l’interaction vapeur d’eau / aérosols à l’échelle sub-micrométrique : suivre en temps réel la prise d’eau et la dissolution de particules nanométriques et leur évolution en fonction d’une humidité relative contrôlée dans un Microscope Electronique en Transmission Environnemental

Un double enjeu : développer un porte-objet TEM refroidi par effet Peltier et étudier in situ la déliquescence d’aérosols modèles et atmosphériques pour mieux comprendre la formation des nuages

Prévoir le climat et le réchauffement futurs requiert entre autres de quantifier le rôle des nuages par une meilleure compréhension de leur formation. Ceux-ci germent par condensation de vapeur d'eau sur des particules d'aérosols de morphologie et nature chimique variable et dont un grand nombre est de taille sub-micronique. WATEM étudiera ces processus in situ dans un Microscope Electronique en Transmission (MET) qui a la résolution requise et donne des informations morphologiques 2D/3D, structurales et chimiques. L’enjeu de contrôler les conditions thermodynamiques de la condensation de gouttelettes dans un environnement gazeux saturé en vapeur d’eau sera relevé dans un MET Environnemental (ETEM) travaillant à une pression partielle variable (< 20 mbar comme dans un microscope à balayage ESEM). L’instrument utilisé est un microscope électronique contenant un volume non négligeable qui n’est pas maintenu sous haut vide autour de l'échantillon, permettant ainsi l’apport d’une pression partielle de gaz, en l’occurrence ici de vapeur d’eau. L’absence de membranes d’étanchéité encapsulant l’objet comme dans les cellules fermées permet en principe l’observation simultanée des phases solide, liquide et vapeur et de leurs respectives interfaces, de même que des liquides sans membranes d’encapsulation. <br />Le principal challenge sera de pouvoir suivre en temps réel l’évolution des interfaces solide/liquide et liquide/vapeur, essentiels pour une compréhension des phénomènes de croissance des nano-gouttelettes d’eau et leur implication dans la formation des nuages.

Le projet WATEM s’articule autour de 5 work packages (WPs) expérimentaux. Le WP1 concerne la réalisation d’une micro-platine Peltier refroidie adaptable aussi bien dans un ESEM que sur un porte-objet existant pour un ETEM. Cette solution originale sera suivie d’autres alternatives existantes a priori moins efficaces du point de vue du contrôle fin de la température, et donc des conditions de condensation de l’eau sur les aérosols, qui pourraient permettre de gérer un éventuel retard dans le développement du prototype Peltier, mais également de compléter les observations par l’utilisation de conditions de refroidissement différentes (WP2). Le WP3 permettra de valider et calibrer le système micro-platine Peltier dans un ESEM pour la condensation d’eau sur des grandes collections d’aérosols artificiels modèles (études statistiques), profitant de l’espace existant dans la chambre de l’ESEM, et afin de faciliter les expériences à réaliser en ETEM. Des approches tomographiques en ESEM seront également testées dans des conditions de condensation. Le WP4 concerne une démarche équivalente sur l’ETEM, profitant des résultats du WP3 : validation de la platine Peltier dans l’ETEM sur les mêmes aérosols modèles (sels alcalins notamment) et mesures des humidités relatives de déliquescence et d’efflorescence. Enfin, le WP5 sera consacré à l’étude d’aérosols réels (prélèvement atmosphérique) dans l’ETEM.

A mi-parcours, nous avons réalisé un premier prototype d’embout de porte-objet refroidi par une micro-platine Peltier (comme prévu au WP1). Les premiers tests réalisés dans l’ETEM montrent une très grande rapidité de refroidissement, permettant de passer en quelques secondes seulement d’un état sec à 100 % d’humidité. Une version légèrement modifiée de ce prototype est en cours de test dans l’ESEM (WP3).
Par ailleurs, de nombreuses observations ont été conduites en ETEM sur des nanocubes de sel NaCl, étudiés comme exemple représentatif d’aérosols modèles. Malgré la sensibilité de ce matériau aux effets d’irradiation (ionisation) sous faisceau d’électrons, nous avons pu observer proprement in situ la déliquescence et l’efflorescence de tels nanocristaux à l’aide d’un porte-objet refroidi à l’azote liquide et commandé spécialement dans le cadre du projet (WP2/4). L’acquisition de séquences dynamiques de micrographies révèle une cinétique particulière d’absoprtion de l’eau avant déliquescence et dissolution du cristal, liée à des oscillations entre l’état solide et dissous du matériau. L’efflorescence a également été largement observée, mettant notamment en évidence la migration des ions Na et Cl sur le film support des nanoparticles, conduisant à la germination de cristaux loin des positions initiales des cristaux de sel.

Pour la suite du projet, nous travaillons sur la calibration et la mesure de la température ; des effets de gradients, notables pour le porte-objet Peltier du fait du réchauffement progressif après mise sous tension, conduisent à des décalages des conditions réelles d’humidité, justifiant la nécessité d’utiliser des échantillons test connus pour valider nos observations. Nous entreprendrons ensuite le WP5 (aérosols atmosphériques réels), pour laquelle une réflexion est menée pour appliquer une approche d’apprentissage profond pour une meilleure détection objective des conditions exactes (RH) de déliquescence.
En termes de perspective post-projet, le succès des développements et de la stratégie proposée dans WATEM permettra l’élargissement à des études dans d’autres domaines : suspension de nano-objets immergés en liquide, cristallogenèse en milieux nano-confinés, évolution d’objets biologiques sub-microniques, Les champs d’applications potentielles de telles approches pour de petits objets sont nombreux (agriculture, santé et cosmétique, tissus innovants, mouillage et hydratation…).

- 2 communications multi-partenaires à conférences internationales (MFS2021, Portugal 09/2021 ; MRS2022, USA, 05/2022).
- 1 communication multi-partenaire à conférence nationale (JSI2021, Dijon, 01/2022).
- 1 communication mono-partenaire (conférence invitée) à conférence internationale (MRS2022, USA (05/2022)
- 1 article mono-partenaire publié (open access, Scientific Reports) en 2022.

Prévoir le climat et le réchauffement futurs requiert entre autres de quantifier le rôle des nuages par une meilleure compréhension de leur formation. Ceux-ci germent par condensation de vapeur d'eau sur des particules d'aérosols de morphologie et nature chimique variable et dont un grand nombre est de taille sub-micronique. WATEM étudiera ces processus in situ dans un Microscope Electronique en Transmission (MET) qui a la résolution requise et donne des informations morphologiques 2D/3D, structurales et chimiques. Le challenge de contrôler les conditions thermodynamiques de la condensation de gouttelettes dans un environnement gazeux saturé en vapeur d’eau sera relevé dans un MET Environnemental (ETEM) travaillant à une pression partielle variable (< 20 mbar comme dans un microscope à balayage ESEM).
Nous développerons un embout de porte-objet refroidi par une micro-platine Peltier permettant l’observation simultanée des phases solide, liquide et vapeur et de l’évolution de leurs respectives interfaces, de même que celle de liquides sans membranes d’encapsulation.
Centré sur ce développement technologique, WATEM mettra en valeur l’expertise scientifique de trois équipes dont les compétences sont complémentaires et avec suffisamment de recouvrement pour qu’une communication et des échanges efficaces puissent avoir lieu en même temps qu’un travail efficace intra- et inter-équipes fournissant ainsi une base solide pour le succès du projet : IRCELYON (chimie atmosphérique, ETEM liquide/gaz, ESEM liquide/gaz), MATEIS (ETEM liquide/gaz, ESEM liquide/gaz, tomographie électronique, porte-objets spécifiques), MAJULAB (systèmes micro/nano, porte-objets spécifiques, ESEM/ETEM).
WATEM s’articule autour de 5 WP scientifiques/technologiques (plus 1 concernant la gestion du projet). Le WP1 concerne la réalisation d’une micro-platine Peltier refroidie adaptable aussi bien dans un ESEM que sur un porte-objet existant pour un ETEM. Cette solution originale sera complétée par d’autres alternatives existantes a priori moins efficaces du point de vue du contrôle fin de la température, et donc des conditions de condensation de l’eau sur les aérosols, qui permettront de gérer le risque de retards dans le développement du prototype Peltier. Dans les WP3, WP4 et WP5 une attention particulière sera apportée aux effets d’irradiation de façon à minimiser leur effet sur les phénomènes observés et à développer des protocoles d’expérience pertinents. Le WP3 permettra de valider et calibrer le système micro-platine Peltier dans l’ESEM pour la condensation d’eau sur des grandes collections d’aérosols artificiels modèles (études statistiques), profitant de l’espace existant dans la chambre de l’ESEM et afin de faciliter les expériences à réaliser en ETEM. Des approches tomographiques dans ESEM, dans des conditions de condensation, seront également testées. Dans le WP4, nous effectuerons une démarche équivalente sur l’ETEM, profitant des résultats du WP3 : validation de la platine Peltier dans l’ETEM sur les mêmes aérosols modèles et mesures des humidités relatives de déliquescence et d’efflorescence. Nous nous intéresserons également au rôle de la mixité de la nature des aérosols (par exemple: inorganique/organique) sur l’hygroscopicité avec des méthodes analytiques (EDX/EELS), complémentaires de l’imagerie, et de la tomographie électronique. Enfin, le WP5 sera consacré à l’étude d’aérosols réels (prélèvement atmosphérique) dans l’ETEM ; ici le principal challenge sera de pouvoir suivre en temps réel l’évolution des interfaces solide/liquide et liquide/vapeur essentiels pour une compréhension des phénomènes de croissance des nano-gouttelettes d’eau et leur implication dans la formation des nuages.
Le succès des développements et de la stratégie proposée dans WATEM permettra l’élargissement à des études dans d’autres domaines : suspensions de nano-objets en liquide, cristallogenèse en milieux nano-confinés, évolution d’objets biologiques sub-microniques, …

Coordination du projet

Thierry Epicier (INSTITUT DE RECHERCHES SUR LA CATALYSE ET L'ENVIRONNEMENT DE LYON)

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

MATEIS Matériaux : Ingénierie et Science
IRCELYON INSTITUT DE RECHERCHES SUR LA CATALYSE ET L'ENVIRONNEMENT DE LYON
MajuLab MajuLab, International Joint Research Unit

Aide de l'ANR 412 801 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2020 - 36 Mois

Liens utiles

Explorez notre base de projets financés

 

 

L’ANR met à disposition ses jeux de données sur les projets, cliquez ici pour en savoir plus.

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter