L’étude des fluides ultra confinés ouvre un domaine très vaste concernant les nano écoulements et met en lumière le rôle déterminant des interfaces dans de nouvelles structures de liquides comme l’eau. Le développement de la nano fluidique laisse entrevoir des perspectives intéressantes dans ce que l’on appelle l’«énergie bleue », mais aussi dans les domaines de la catalyse et de l’ultra filtration.
Geoffrey Monet a reçu le prix de thèse 2021 de la Société Française de la Neutronique (SFN) pour ses travaux sur l’eau confinée. Sa thèse a été réalisée au laboratoire Physique des Solides (LPS) à Orsay, sous la direction de Pascale Launois, co-encadrée au LPS par Erwan Paineau et à l’Institut Laue Langevin (Grenoble) par Stéphane Rols. Le sujet consistait à étudier la structure et la transformation en température de nanotubes géo-inspirés, les nanotubes d’imogolite synthétiques, ainsi que leurs propriétés en tant que nanocontainers. Ces argiles particulières se présentent sous forme de tubes simple ou double paroi. De diamètre bien défini et dont l’affinité chimique avec l’eau peut être ajustée, les nanotubes d’imogolites sont des plateformes idéales pour étudier les nouvelles propriétés des molécules confinées à l’échelle nanométrique.
La structure atomique des nanotube d’imogolite n’était pas résolue quantitativement. La thèse propose une nouvelle méthodologie permettant de déterminer la structure atomique de tels nanotubes sur la base d’expériences de diffusion de rayons X réalisées au LPS et au synchrotron SOLEIL [1]. La connaissance de la structure du nanocontainer s’est avérée fondamentale pour étudier les propriétés de l’eau nano-confinée.
Une partie importante de la thèse de Geoffrey est l’étude du confinement de l’eau dans des nanotubes d’imogolite mono-paroi hydrophiles [2]. Des expériences de diffusion inélastique de neutrons menées sur plusieurs spectromètres de l’ILL ont été analysées à la lumière de simulations de dynamique moléculaire (collaboration avec G. Teobaldi, STFC, UK). Une méthode originale de visualisation et d’attribution de modes de vibration est ainsi proposée. Cette approche a permis de mettre en évidence une organisation inédite de l’eau dans les nanotubes. En effet, les molécules d’eau sont isolées les unes des autres, absorbées sur la surface interne des nanotubes dans des sites parfaitement dimensionnés pour accueillir une molécule (Figure). Cette proximité entraîne un fort couplage dans la dynamique des molécules d’eau et du nanotube.
Figure. Nanotube d’imogolite monoparoi : les octaèdres O3Al(OH) en bleu sont arrangés sur un réseau en nid d’abeille et les tétraèdres O3GeOH (en vert) sont placés sur les cavités du réseau d’octaèdres. Les atomes d’hydrogène et d’oxygène sont représentés en blanc et en rouge. En insert : zoom sur la position d’une molécule d’eau absorbée sur la surface interne du tube.
Références
[1] G. Monet, M. S. Amara, S. Rouzière, E. Paineau, Z. Chai, J. D. Elliott, E. Poli, L.-M. Liu, G. Teobaldi and P. Launois, Structural resolution of inorganic nanotubes with complex stoichiometry, Nature Communications 9, 2033 (2018)
[2] G. Monet, E. Paineau, Z. Chai, M.S. Amara, A. Orecchini, M. Jimenéz-Ruiz, A. Ruiz-Caridad, L. Fine, S. Rouzière, L.-M. Liu, G. Teobaldi, S. Rols and P. Launois, Solid wetting-layers in inorganic nano-reactors: the water in imogolite nanotube case, Nanoscale Advance 2, 1869 (2020)
Manuscrit de thèse : « Nanotubes géo-inspirés : structure atomique, transformation en température et dynamiques corrélées nanotube-eau moléculaire » par Geoffrey Monet.
