Matériaux poreux : capillarité persistante à l’échelle moléculaire

Résultats scientifiques Matériaux Molécules

De par leur capacité à capter et piéger des molécules, les solides microporeux – dont les pores ont un diamètre de l’ordre du nanomètre – sont au cœur de nombreuses applications dans les domaines de la santé, de l’énergie et de l’environnement. Ils sont par exemple utilisés comme tamis moléculaires, échangeurs d’ions ou catalyseurs. Pour autant, la rationalisation du comportement de fluides au sein de ces matériaux reste un défi car les modèles de capillarité validés pour des milieux présentant des pores plus grands ne sont plus pertinents dans des situations de confinement aussi extrêmes. Ainsi, le phénomène de condensation capillaire macroscopique, qui correspond à un remplissage discontinu et éventuellement irréversible de la porosité, n’est plus observé dans les milieux microporeux car remplacé par un mécanisme continu et réversible.

À l’aide de simulations moléculaires et de mesures expérimentales, les scientifiques de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace) et du Laboratoire interdisciplinaire de physique (CNRS/Université Grenoble Alpes) ont étudié le confinement de différents fluides dans des matériaux microporeux de type zéolithes, matériaux microporeux parmi les plus utilisés. Ils montrent que la capillarité et les concepts macroscopiques associés restent pertinents lorsque l’on réduit les dimensions de la porosité au seuil critique du nanomètre. En développant un modèle théorique permettant de rendre compte de leurs données, ils obtiennent une estimation fiable et rapide des conditions de remplissage d’un couple fluide/matériau en se basant sur des paramètres simples tels que la taille des pores, la tension de surface et la densité du fluide. Une manière simple de mettre en adéquation le meilleur matériau et son utilisation optimale.

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Potentiel chimique auquel la nanoporosité zéolithique se remplit reporté en fonction de l’énergie capillaire pour des fluides confinés dans différentes zéolithes purement silicatées. Les symboles pleins correspondent aux valeurs simulées et les symboles vides aux valeurs expérimentales tirées de la littérature. © Irena Deroche

Référence

Irena Deroche, Jean Daou, Cyril Picard, Benoit Coasne,
Reminiscent capillarity in subnanopores
Nature Communications 11 octobre 2019
https://doi.org/10.1038/s41467-019-12418-9

Contact

Irena Deroche
Institut de science des matériaux de Mulhouse
Benoit Coasne
Laboratoire interdisciplinaire de physique
Stéphanie Younès
Responsable Communication
Sophie Félix
Chargée de communication
Christophe Cartier dit Moulin
INC & Institut parisien de chimie moléculaire