Interfaces réactives pour la conversion d'énergie nanofluidique – NECtAR

Au cours de ce projet, nous devons étendre le cadre théorique actuel et développer de nouveaux outils numériques et expérimentaux. Sur le plan numérique, nous devons développer des approches précises et fiables pour extraire les propriétés de frottement d'interfaces liquide-solide complexes à partir de simulations de dynamique moléculaire ab initio (AIMD). De plus, nous avons également besoin de développer des outils appropriés pour mesurer la réponse EK par AIMD, et en particulier, nous allons explorer les possibilités de simulations hors-équilibre. Enfin, nous nous concentrerons sur les applications à la récupération de la chaleur perdue. Dans ce but, nous devrons développer le cadre numérique approprié à la détermination de la réponse des interfaces liquide-solide aux gradients thermiques. Sur le plan expérimental, différents défis doivent être relevés. Un premier verrou sera la génération de surfaces presque sans défaut pour s'adapter aux prédictions numériques. La deuxième étape pour mieux comprendre la manière dont la réactivité de surface et le transport EK sont couplés consiste à sonder les deux effets en même temps. Nous proposons ainsi de coupler dans une même expérience une technique permettant la caractérisation optique de la réactivité de surface (génération de second harmonique - SHG) avec des mesures EK macroscopiques. Même si les deux techniques sont bien développées séparément, une telle mesure simultanée reste un défi technique. Pour démêler les contributions de volume et de surface, un effort particulier sera également consacré au suivi du transport EK dans des systèmes très confinés (quelques nanomètres d'épaisseur). Enfin, nous proposons une alternative pour contrôler la réactivité de surface et le transport qui en résulte en utilisant des matériaux optiquement actifs, ce qui représente également un défi important.

La récupération de la chaleur résiduelle est l'un des plus grands défis de notre société. Les membranes nanoporeuses pourraient jouer un rôle grâce aux écoulements thermo-osmotiques, générés sur les surfaces par les gradients de température. Nous avons utilisé des simulations atomistiques pour explorer les mécanismes moléculaires sous-jacents et comprendre l'effet des propriétés de mouillage du liquide sur les surfaces solides. Nous avons montré le rôle critique de l'hydrodynamique interfaciale, qui peut inverser la direction de l'écoulement, et l'amplifier fortement. En particulier, nous avons prédit des flux thermo-osmotiques géants à l'interface eau-graphène. Ces résultats théoriques ouvrent de nombreuses perspectives pour la génération efficace d'écoulements utilisant la chaleur perdue, qui pourraient être appliqués par exemple au dessalement de l'eau de mer. En particulier, nous avons combiné modélisation théorique et simulations atomistiques pour explorer la possibilité de récolter la chaleur perdue avec des membranes nanoporeuses, en se concentrant sur des membranes modèles construites à partir de nanotubes de carbone. Nous avons montré que lorsque de telles membranes sont soumises à des différences de température, des flux extrêmement rapides et robustes peuvent être produits, qui pourraient être utilisés pour des applications de pompage ou de dessalement. Contrairement à la compréhension traditionnelle de ces systèmes, nous avons montré que la performance de la membrane dépend de manière critique de l'hydrodynamique dans le pore et aux entrées. Notre modèle pourrait être utilisé pour guider la recherche de membranes innovantes pour la récupération de la chaleur résiduelle.

En étudiant le rôle de la réactivité interfaciale, nous cherchons à dépasser les limites des descriptions actuelles. Nous espérons qu'une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents à la conversion de l'énergie nanofluidique aidera à développer de meilleurs dispositifs. Plus précisément, dans ce projet, nous explorons comment les systèmes nanofluidiques peuvent aider à récolter une énergie particulièrement insaisissable: la chaleur perdue. Les dispositifs nanofluidiques pourraient constituer une alternative intéressante aux matériaux thermoélectriques, ou ils pourraient utiliser de la chaleur résiduelle de faible qualité pour dessaler l'eau. Ce serait une percée dans de nombreuses applications industrielles impliquant des différences de température trop faibles pour la production d'électricité avec des méthodes standard, ou pourrait même être inclus dans des vêtements intelligents pour récolter la chaleur du corps.

5. R. Hartkamp, A.-L. Biance, L. Fu, J.-F. Dufrêche, O. Bonhomme, L. Joly: “Measuring surface charge: why experimental characterization and molecular modeling should be coupled”, invited review article submitted to Current Opinion in Colloid and Interface Science
4. L. Fu, S. Merabia, L. Joly: «Understanding Fast and Robust Thermo-Osmotic Flows through Carbon Nanotube Membranes: Thermodynamics Meets Hydrodynamics«, J. Phys. Chem. Lett. 9, 2086 (2018)
3. L. Fu, S. Merabia, L. Joly: «What Controls Thermo-osmosis? Molecular Simulations Show the Critical Role of Interfacial Hydrodynamics«, Phys. Rev. Lett. 119, 214501 (2017)
2. O. Bonhomme, B. Blanc, L. Joly, C. Ybert, A.-L. Biance: “Electrokinetic transport in liquid foams”, Adv. Colloid Interface Sci. 247, 477 (2017)
1. A. Barbosa de Lima, L. Joly: “Electro-osmosis at surfactant-laden liquid-gas interfaces: beyond standard models”, Soft Matter 13, 3341 (2017)

La production d’eau potable et les énergies renouvelables sont deux grands défis de notre société, auxquels la nanofluidique offre des solutions prometteuses. Les systèmes nanofluidiques de conversion d’énergie s’appuient sur les effets électrocinétiques (EK), qui couplent différents types de transport (hydrodynamique, électrique, ionique, thermique…) aux interfaces. Les effets EK sont sensibles au détail moléculaire des interfaces, et devraient donc dépendre de leur physicochimie. Pourtant la possibilité de coupler la réactivité des surfaces et le transport EK pour améliorer les performances des dispositifs nanofluidiques n’a jamais été étudiée à notre connaissance.
Ici nous explorerons ces couplages afin de concevoir des systèmes nanofluidiques innovants pour les énergies renouvelables, en nous concentrant sur la récupération de la chaleur fatale (chaleur perdue). Pour cela, nous appliquerons aux mêmes systèmes modélisations numériques et caractérisations expérimentales de la physicochimie interfaciale et des propriétés de transport. Cette stratégie nous permettra de trouver des situations optimales pour lesquelles des interfaces réactives pourront avoir un fort impact sur la conversion d’énergie nanofluidique (tâches 1 et 2). Finalement, nous utiliserons cette approche couplant modélisation et expérience pour concevoir une preuve de concept d’un système nanofluidique capable de produire de l’eau potable et de l’électricité en utilisant la chaleur fatale (tâche 3).
Dans la tâche 1, nous étudierons le couplage entre réactivité et transport fluidique aux interfaces eau/céramique, omniprésentes dans les systèmes nanofluidiques. En particulier, nous explorerons les performances de surfaces d’oxyde telles que MgO et ZnO où l’eau peut se dissocier pour former de l’eau « super-ionique ». Nous utiliserons des simulations de dynamique moléculaire ab initio pour sonder le rôle de la chimie interfaciale et des effets quantiques sur le transport. En parallèle, nous combinerons dans une même expérience des mesures du transport EK macroscopique avec la caractérisation par optique non-linéaire de la structure et de la dynamique nanométrique des interfaces. Nous tenterons aussi d’ajuster la charge électrique de certaines surfaces en utilisant la lumière comme actuateur, et d’utiliser ces surfaces pour contrôler et amplifier le transport interfacial.
Dans la tâche 2, nous considérerons la famille des surfaces hydrophobes, qui peuvent amplifier les effets EK grâce au glissement hydrodynamique. La charge de ces surfaces est généralement mobile et peut réagir aux écoulements. Le but de cette tâche est d’obtenir une compréhension fondamentale de ces effets, de manière à proposer des systèmes efficaces pour la conversion d’énergie. Du point de vue numérique, nous étudierons le rôle de la mobilité des charges au niveau de diverses interfaces hydrophobes avec des simulations de dynamique moléculaire classique, et du point de vue expérimental nous adapterons la méthodologie utilisée dans la tâche 1 aux spécificités des surfaces hydrophobes.
La dernière tâche sera consacrée à la récupération de la chaleur fatale, en utilisant les effets EK induits par des gradients thermiques. En effet, on s’attend à ce que les gradients thermiques induisent un écoulement thermoosmotique de l’eau et un mouvement thermophorétique des ions, générant de l’électricité. Pour ces deux phénomènes peu étudiés jusqu’ici, nous commencerons par caractériser leur amplitude près des surfaces céramiques et hydrophobes considérées dans les tâches précédentes, en combinant simulations et expériences. Nous explorerons alors différents procédés de récupération de la chaleur fatale à base de membranes pour proposer une preuve de concept au terme du projet, dont nous quantifierons les performances.