Transfert et Dispersion de Chaleur dans des Matériaux Nanoporeux remplis d’un Fluide : Impact des Interfaces et des Lignes Triples – HTD-POM

De par leur grande surface interne et porosité ultra-confinante, les matériaux nanoporeux sont à l’avant-garde dans la stratégie de gestion de la crise environnementale/énergétique avec des applications-clés en adsorption, catalyse, isolation, etc. Cependant, malgré les recherches intenses sur le comportement des fluides nanoconfinés, la génération, le transfert et la dispersion de chaleur dans les processus basés sur l'adsorption restent un angle mort. Premièrement, les effets thermiques tels que le dégagement de chaleur pendant l'adsorption, le transport ou la réaction d’un fluide sont bien connus mais les phénomènes moléculaires régissant la conductivité thermique globale (effective) dans les solides nanoporeux remplis de fluides n'ont pas encore été entièrement explorés. En particulier, l'impact des interfaces fluide/solide et de la ligne de contact entre les phases gaz, liquide et solide a reçu peu d'attention. Deuxièmement, alors que le transport thermique dans un fluide nanoconfiné au repos ou en mouvement stationnaire a été étudié, les processus thermiques dans des situations hors-équilibre correspondant à la pénétration d'un fluide dans un matériau nanoporeux ont reçu peu d'attention. Une meilleure compréhension de ces questions à l'aide d'un formalisme microscopique permettrait de prédire/rationaliser à un stade précoce tout problème de transfert ou de dissipation d'énergie (i.e. anticiper les aspects critiques à un stade avancé du développement). D'un point de vue fondamental, la mise au jour des phénomènes moléculaires impliqués dans ces problèmes pourrait ouvrir la voie à la conception de nouvelles méthodes d'adsorption/séparation dans lesquelles le transfert de chaleur est exploité pour contrôler ou stimuler un processus. Avec ce projet, nous proposons une approche expérimentale/théorique conjointe pour étudier les processus thermiques impliqués lorsque des fluides sont confinés dans des solides nanoporeux. En utilisant des systèmes simples composés d'eau dans des matériaux nanoporeux de silice avec différentes hydrophilicités/hydrophobicités, la pression du fluide sera variée pour couvrir des situations allant du gaz ou du liquide confiné (monophase) à la coexistence gaz/liquide (multiphase) comme rencontré dans les applications de génie chimique. Premièrement, en traitant des situations d'équilibre (sans mouvement), nous évaluerons le rôle des interfaces solide/gaz, solide/liquide et gaz/liquide et des lignes solide/liquide/gaz sur la conductivité thermique effective dans ces systèmes complexes. Deuxièmement, en considérant des situations de non-équilibre dans lesquelles le fluide monophase ou multiphase est en mouvement par rapport au solide (e.g. écoulement du fluide ou vidage/remplissage), nous éluciderons les mécanismes par lesquels la chaleur est générée, transférée et dispersée. Plus précisément, des matériaux poreux modèles comprenant des zéolithes siliciques (pores ~nm) et des silices mésoporeuses (pores de quelques nm) seront utilisés pour étudier les effets de taille des pores - en particulier, ces familles permettent d'étudier différentes situations car le remplissage des pores est réversible, continu dans la zéolithe et irréversible, discontinu dans la silice mésoporeuse. De plus, pour les silices mésoporeuses, nous utiliserons différentes terminaisons de surface (de l'hydroxylation au greffage organique) afin d'examiner l'impact de l'hydrophilie/phobie sur les processus thermiques. Outre la combinaison expérience/théorie, un point fort de ce projet au carrefour de la science des matériaux, du génie chimique et de la chimie physique est sa nature multiéchelle. Alors que la simulation moléculaire identifiera les mécanismes microscopiques responsables de la génération, conduction et dispersion de la chaleur, les expériences seront utilisées pour rationaliser et prédire le comportement macroscopique en combinaison avec les calculs Lattice Boltzmann et les approches formelles du génie chimique.