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Couches nanométriques : formation, interfaces, défauts – Adsorption dans les matériaux mésoporeux


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  • Membre permanente : Isabelle Trimaille

Notre activité de recherche est centrée sur l’adsorption et la désorption de fluides confinés dans des matériaux mésoporeux, plus particulièrement le silicium poreux, obtenu au laboratoire par des procédés électrochimiques. L’analyse se fait par les isothermes d’adsorption-désorption qui s’obtiennent en mettant le matériau poreux en contact avec un réservoir de gaz. La température est fixée et la pression est augmentée graduellement. On mesure alors la quantité de matière adsorbée par l’échantillon à chaque pression. Le gaz s’adsorbe d’abord en surface, puis à partir d’une pression suffisamment élevée se condense dans les pores, en commençant par ceux dont le diamètre est le plus faible, et cela jusqu’à saturation, lorsque l’ensemble des pores est rempli de liquide. La pression de gaz est alors réduite permettant l’évaporation du liquide. Les isothermes d’adsorption-désorption présentent presque toujours une hystérésis, qui renseigne sur la morphologie du réseau de pores et sur les dimensions des pores, mais également sur les mécanismes mis en jeu lors de l’adsorption et de la désorption.

Cette thématique représente un fort sujet d’intérêt pour des domaines tels que le stockage de gaz, la nanofluidique, laséparation moléculaire.

Actuellement, nous étudions la cavitation de fluides confinés dans les matériaux mésoporeux à pores cylindriques (10-30 nm de diamètre, densité de pores 1010 – 10 11 cm-2, longueur des pores quelques µm).

Un pore cylindrique (Figure 1a), contenant un fluide se vide à la pression d’équilibre liquide-vapeur par récession du ménisque à l’interface vapeur-liquide. Plus le diamètre du pore est petit plus faible sera la pression d’évaporation.  Dans le cas d’une structure « bouteille d’encre » c’est-à-dire d’un pore constitué d’une cavité cylindrique et d’une constriction à la surface (Figure 1b,1c) deux mécanismes de vidage du pore sont possibles. En (1b), la constriction se vide à sa pression d’équilibre, puis l’évaporation se poursuit dans la cavité par récession du ménisque. En (1c), si la constriction est suffisamment étroite pour que sa pression d’évaporation soit plus faible que le seuil de cavitation, la cavité se vide par cavitation, alors que la constriction reste pleine du liquide.

Figure 1 : Mécanismes de désorption dans les pores cylindriques et en forme de bouteilles d’encre.

Les figures 2 et 3 illustrent les mécanismes d’évaporation de l’azote dans du silicium mésoporeux « bouteille d’encre » à pore longs (20 µm). La pression d’évaporation (branche à plus basse pression) est précisément visible sur les isothermes de la figure 2. On peut alors comparer ces valeurs aux courbes théoriques de l’évaporation par récession du ménisque ou aux prédictions sur la valeur des seuils de cavitation par la théorie classique de la nucléation (CNT) (figure 3).  Au-delà d’une température de 110 K, le processus d’évaporation se produit par cavitation homogène, en deçà de cette température, seule une faible quantité de pores se vident par cavitation, l’essentiel de l’évaporation se produisant par récession du ménisque (figure 3). Dans le cas de pores courts (< 1µm) l’évaporation se produit par cavitation à toutes les températures.

Figure 2 : Isothermes d’adsorption-désorption de N2 d’un échantillon de silicium poreux « bouteille d’encre », de longueurs de pores 20 µm, de porosité 70 % et de diamètre de constrictions estimée à 9 nm. La forme des isothermes à 110 K et 116 K à basse pression est un artefact dû à la mauvaise précision aux trop faibles quantités adsorbées.

Figure 3 : Pression d’évaporation de l’échantillon présenté en figure2. Les losanges correspondent à l’évaporation brutale visible sur la figure 2a, alors que la croix correspond à l’évaporation d’une petite partie des pores par cavitation homogène. La ligne en pointillé est la courbe théorique pour l’évaporation par récession du ménisque. La ligne pleine représente les prédictions de la théorie classique de la nucléation (CNT) pour une barrière d’énergie de 46 kBT.

 

Collaborations

  • Laboratoire de Physique de l’Ecole Normale Supérieure Paris
  • Institut Néel Grenoble
  • ICMN Orléans

 

Fait marquant

Les déformations élastiques n’ont pas d’incidence sur l’adsorption de fluide dans les solides mésoporeux rigides

Publications