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Effects of confinement on inhomogeneous systems

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La recherche étudie comment le confinement détermine le comportement de la matière molle

Certaines particules ou biomolécules forment spontanément divers motifs à l’échelle micro ou mésoscopique, qui peuvent être considérablement modifiés par le confinement. Le contrôle des motifs intrigants qui apparaissent pourrait aider à concevoir des matériaux dotés des propriétés souhaitées, par exemple pour le stockage de l’énergie.

Recherche fondamentale

Le confinement de la matière dans de petits espaces joue un rôle crucial chez les organismes vivants, où des processus importants se déroulent à l’intérieur d’organites entourés de membranes, ou sur ces membranes. L’espace disponible pour les particules est également restreint lorsqu’elles sont adsorbées sur une surface ou confinées à l’intérieur de roches ou d’éponges poreuses, où les pores en forme de fente, de cylindre ou de réseau ont des tailles allant de l’échelle du nanomètre à celle du micromètre. «Les capsides de virus sont un autre exemple de confinement inférieur à l’échelle de 100 nm. Les protéines s’auto-assemblent pour former une capside abritant un brin d’ADN ou d’ARN. En science des matériaux, les particules assemblées dans un espace confiné sont exploitées pour produire de nouveaux matériaux aux propriétés inhabituelles (métamatériaux)», fait remarquer la coordinatrice du projet, Alina Ciach. Inspiré par le rôle clé du confinement dans la nature, le projet CONIN, financé par l’UE, a étudié comment différents types de confinement améliorent ou suppriment les motifs apparaissant spontanément à différentes échelles de longueur et comment ils peuvent être exploités dans les technologies modernes. Cette recherche a été financée par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie.

Phénomènes intrigants résultant du confinement de particules auto-assemblées

L’adsorption modifie les propriétés de la surface. «L’adsorption de particules chargées qui s’attirent à courte distance par des forces médiées par le solvant peut être supprimée par leur répulsion électrostatique à longue distance. Par conséquent, les groupes de particules adsorbées séparés par des régions vides forment une «dentelle» présentant un motif hexagonal ou en bandes. L’ajout d’un deuxième type de particules dont les interactions sont bien réglées conduit à la formation d’une couche épaisse et structurée de particules, qui recouvre la surface comme une couverture épaisse bicolore», explique Alina Ciach. L’équipe du projet a révélé que la chimie, la taille et la forme des parois de confinement peuvent détruire, renforcer ou modifier les motifs spontanément formés de particules, d’amas et d’ions, ou induire des motifs entièrement nouveaux. Ils ont observé les mêmes motifs en mettant correctement à l’échelle la taille de l’amas dans différents systèmes (protéines globulaires, nanoparticules ou particules colloïdales). Par conséquent, les résultats d’un modèle servent à prédire les propriétés correspondantes de différents systèmes. Des phénomènes de confinement particulièrement surprenants se produisent lorsque les particules s’assemblent en grappes cylindriques (colonnes). «Ces colonnes sont flexibles, se comportant comme des cordes souples (ou des spaghettis bouillis) qui sont tassées d’une manière qui dépend de la forme et de la taille du récipient de confinement. À l’intérieur des cylindres, nos "spaghettis" forment des spirales», précise Alina Ciach.

Comment les ions confinés pourraient augmenter la capacité de stockage

Le mouvement confiné des liquides ioniques et des électrolytes détermine les performances des dispositifs de stockage d’énergie. Les électrodes poreuses sont favorables à une utilisation dans les condensateurs, car la capacité augmente avec la surface. «Cependant, les co-ions dans les pores très fins sont bloqués par les contre-ions adsorbés, ce qui ralentit considérablement la dynamique de charge. À l’aide de simulations informatiques, nous avons étudié comment accélérer la dynamique de charge en choisissant judicieusement le protocole de charge. Nous avons également cherché à augmenter l’énergie et la charge stockées dans les mésopores en mélangeant le liquide ionique avec un solvant neutre et en choisissant des électrodes ionophiles/ionophobes appropriées», explique Alina Ciach. Dans les condensateurs en forme de fente à parois ionophiles, les transitions d’ionisation/désionisation qui se produisent lors d’un changement de tension ou de température s’accompagnent de sauts dans l’énergie stockée. Ces variations peuvent être exploitées dans des applications de conversion de chaleur en électricité. L’équipe a également mis en évidence une corrélation entre la capacité à stocker l’énergie et l’ordonnancement des ions à l’intérieur d’un pore ultra-étroit non chargé. Elle a prouvé que les structures ioniques ordonnées déplacent le processus de charge vers des tensions plus élevées, améliorant ainsi la densité d’énergie. Les résultats de ce projet ne représentent qu’une petite partie des réalisations du projet CONIN. Tous les résultats ont été publiés dans de nombreuses revues à comité de lecture.

Mots‑clés

CONIN, confinement, stockage d’énergie, formation de motifs, adsorption, liquide ionique, particules auto-assemblées

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