Réponse Acoustique de l'Adsorption et Perméation dans des Matériaux Nanoporeux – ACOUFEN

L'adsorption et transport de fluides dans des matériaux nanoporeux sont au cœur de technologies impactant notre économie/écologie: stockage/conversion d'énergie, protection de l'environnement, bien-être des personnes, industrie agroalimentaire, etc. En particulier, les solides nanoporeux sous forme de membranes sont appelés à jouer un rôle de premier plan dans les «sept séparations chimiques clés pour changer le monde», mais aussi pour résoudre des problèmes de complexité croissante tels que l'élimination des bio/agropolluants, l'abattement des gaz à effet de serre, etc. Malgré cet avenir prometteur, avec de plus en plus de procédés de séparation/catalyse à traiter, la conception de membranes nanoporeuses efficaces est entravée par les difficultés à garantir leur utilisation en conditions sévères [e.g. température/pression élevée, environnements agressifs]. En pratique, l'extension applicative des membranes nanoporeuses à des conditions extrêmes nécessite une surveillance en ligne de l'intégrité du matériau et de l'adsorption/écoulement du fluide (détection précoce de toute modification du matériau ou dysfonctionnement du procédé). Dans ce contexte, et malgré leur utilisation généralisée en science des matériaux, les méthodes acoustiques sont souvent considérées comme inadaptées aux nanophénomènes en raison de la grande longueur d'onde des ondes acoustiques. Pourtant, l'empreinte de l’adsorption/perméation d'un fluide nanoconfiné est incluse de manière moyenne dans le signal émis par le système soumis à la pression du fluide ou à une excitation acoustique.

Ce projet propose une approche expérimentale, par simulation moléculaire et théorique – de l’échelle atomique à macroscopique – pour élucider la signature acoustique de l'adsorption/transport dans les matériaux nanoporeux. À chaque échelle, des techniques expérimentales et théoriques permettront de sonder l'émission acoustique spontanée générée par le système fluide/solide et sa réponse à la stimulation acoustique. Des fluides ayant des caractéristiques différentes (He, N2, CH4, CO2) seront étudiés dans des divers matériaux nanoporeux (zéolithes et céramiques) afin de sonder les effets de taille des pores et des interactions fluide/surface à chimie constante (oxyde). En faisant varier, de façon statique ou dynamique, le gradient de pression induisant le flux et la pression/température moyenne, le rôle des modes de transport (Knudsen, diffusion, flux visqueux) et d'adsorption (pores partiellement ou entièrement remplis) sera sondé. Les propriétés acoustiques des systèmes seront sondées à l'échelle moléculaire (?nm/THz), mésoscopique (~micron/GHz), et macroscopique (~mm/MHz). À chaque échelle, les prédictions théoriques seront comparées aux données expérimentales pour obtenir une description « bottom-up » de la signature acoustique. In fine, nous testerons l'utilisation de stimuli acoustiques pour moduler l'adsorption/transport de fluides dans les solides nanoporeux.

Cette stratégie multi-échelle permettra d'identifier l'empreinte acoustique de l'adsorption/perméation dans les solides nanoporeux. Les objectifs sont doubles. (1) Déchiffrer le couplage entre les phénomènes d'adsorption/transport et la réponse acoustique pour ouvrir la voie à la surveillance acoustique operando. Cette approche fondamentale s'inscrit dans le cadre général des interactions onde/matière mais, à notre connaissance, c'est la première fois qu’un couplage acoustique/adsorption/transport des fluides nanoconfinés est considéré. (2) Explorer l'utilisation de ce couplage pour contrôler la séparation des gaz dans les matériaux nanoporeux. En cas de succès, ce projet pourrait conduire à de nouvelles méthodes de séparation des gaz (« acoustic swing adsorption »). Ainsi, bien qu'ACOUFEN soit un projet de recherche fondamentale PRC visant à fournir une vision microscopique et macroscopique de la réponse acoustique d’un fluide dans les matériaux nanoporeux, il pourrait aussi mener à des applications novatrices.