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À l'échelle du nanomètre, ce qui se mélangeait ne se mélange plus

Dans un nanotube de silice de quelques milliardièmes de mètre (diamètre) le mélange alcool/hydrocarbure se sépare en une structure coeur-coquille (hydrocarbure au centre, alcool à l'extérieur). Des physiciens rennais ont d'expliqué le phénomène. Ils ont validé leur hypothèse en inversant la structure de séparation (alcool au centre, hydrocarbure à l'extérieur) par la modification des propriétés hydrophobes du nanotube. Publication dans NPJ Computational Materials (avril 2019)

Confinement de molécules de toluène dans un nanotube de carbone. Diamètre du pore : 2,4 nanomètres - Crédit A. Ghoufi et al./IPR
  1. Comportement différent à l'échelle macroscopique (la nôtre) et nanométrique
  2. Première observation (2016) et hypothèses
  3. Autres méthodes, même constatation et explication du phénomène
  4. Démonstration en modifiant les propriétés hydrophobes du nanotube
  5. Perspectives
  6. Source et référence

Comportement différent à l'échelle macroscopique (la nôtre) et nanométrique

Ces dernières années, l’émergence des nanosciences a ouvert la voie à la manipulation de fluides dans des structures de dimension nanométrique. Les chercheurs ont ainsi mis en évidence des comportements physiques nouveaux, dû à la prépondérance des effets de surface à cette échelle.
 

Première observation (2016) et hypothèses

En confinant dans un nanotube de silice hydrophile, un mélange initialement miscible à notre échelle (alcool/hydrocarbure), les physiciens de l'Institut de physique de Rennes (IPR - Université de Rennes 1/CNRS) avaient montré par diffraction de neutrons la formation d’une structure cœur-coquille.

À l'aide de différents modèles théoriques, les scientifiques avaient émis l'hypothèse que les molécules d’alcool se retrouvaient accolées à la surface du nanotube, tandis que celles de l’hydrocarbure se retrouvaient rejetées au cœur du nanotube.

Autres méthodes, même constatation et explication du phénomène

Cette fois-ci, c'est en utilisant la simulation moléculaire et des calculs de propriétés locales comme la tension de surface que les chercheurs de l'IPR ont reproduit quantitativement ce phénomène.

Ils ont de plus démontré sans équivoque la séparation à l’échelle nanométrique de ce mélange, pourtant miscible à l'échelle macroscopique.

Nano-démixtion d’un mélange tert-butanol/toluène confiné dans un pore de silice de 2,4 nanomètres - © A. Ghoufi et al./IPR

Dans le cas du nanotube de silice, ils ont montré que la séparation de phase était reliée à la chimie de surface et à un réseau de liaisons hydrogène s’établissant entre la surface de silice et l’alcool.

Démonstration en modifiant les propriétés hydrophobes du nanotube

Ils ont aussi établi la possibilité de contrôler cette « nano-démixtion » en ajustant l’hydrophobicité du matériau poreux.

Ainsi, en confinant ce même mélange dans un nanotube de carbone, l’organisation cœur-coquille a pu être inversée. En effet, tandis que l'hydrocarbure s’accumule à la surface du nanotube par interactions hydrophobes, l’alcool se retrouve piégé au centre du pore où les molécules optimisent leur réseau de liaisons hydrogène.
 

Perspectives

Ce travail ouvre ainsi la voie à la nanostructuration contrôlée de fluides multiconstituants par confinement.

Source et référence

Cet article a été rédigé à partir d'une présentation d'Aziz Ghoufi, maître de conférences à l'Université de Rennes 1 et membre de l'Institut de physique de Rennes (Université de Rennes 1/CNRS).

Microphase separation of a miscible binary liquid mixture under confinement at the nanoscale
Ilham Essafri, Denis Morineau & Aziz Ghoufi
npj Computational Materials volume 5, Article number: 42 (2019)