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Structure et thermodynamique de fluides confinés. Hystérésis.


 

 

Les fluides confinés se rencontrent aussi bien dans la nature (eau confinée dans la porosité des sols, des roches, des tissus vivants etc.) que dans les processus industriels (chromatographie, dépollution, catalyse, etc.). Le confinement se caractérise par une interface fluide/solide très importante, ce qui influence grandement la structure et les propriétés thermodynamiques du fluide confiné.


 

L’un des aspects les plus frappants du confinement est certainement la capacité qu’a un matériau nanoporeux à adsorber de grandes quantités de gaz en deçà de leur point de condensation, comme dans le cas de la vapeur d’eau présente dans l’air ambiant. Assez remarquablement, le phénomène n’est pas réversible pas-à-pas lorsque les pores font plusieurs nanomètres de diamètre : la désorption est retardée par rapport à l’adsorption, et donc la courbe isotherme d’adsorption/désorption présente une hystérèse. La taille du système et du réservoir de gaz se sont révélés être des paramètres importants pour comprendre la forme des isothermes. De même, les hétérogénéités physico-chimiques jouent un rôle déterminant, à travers la formation d’un paysage d’énergie libre complexe à l’origine des nombreux états métastables associés à la boucle d’hystérésis.

 


 

 

La simulation moléculaire constitue un outil de choix pour comprendre les phénomènes liés au confinement de fluides dans les matériaux nanoporeux, car elle prend en compte les spécificités physico-chimiques des interactions entre le fluide et le matériau, dont l’effet le plus spectaculaire est la stabilisation de ponts de fluide dans les régions de forte affinité chimique. L’étude des isothermes d’adsorption et du diagramme de coexistence montre une complexification rapide liée à l’apparition de nombreux états métastables lorsque le nombre d’hétérogénéités augmente. Cette complexité intrinsèque rend totalement inopérantes les méthodes classiques dès que le nombre d’hétérogénéités augmente un peu. Une approche multiéchelle s’impose alors, qui consiste à étudier séparément les différents domaines du matériau, mais en prenant en compte leur interdépendance.