Soutenance de thèse : Forces de surface dynamiques des solutions ioniques confinées : mesures expérimentales et modélisation théorique - Caroline Cramail (MODI)

Cette thèse porte sur le transport de solutions ioniques, confinées aux nano-échelles par des surfaces solides diélectriques. Au niveau industriel, cette thématique s’inscrit dans la recherche de membranes de filtration chargées et nano-structurées plus performantes, pour des applications telles que le dessalement de l’eau de mer ou la récupération d’énergie osmotique. En appareil à force de surface dynamique (dSFA), nous mesurons, proche de l’équilibre, un sur-amortissement dû à la restauration couplée des équilibres mécanique, électrique et diffusif du système. Nous modélisons la force de surface dynamique par une description continue et de champ moyen, dans laquelle la dynamique est une perturbation linéaire de l’équilibre. L’équilibre est décrit par l’équation de Poisson-Boltzmann non-linéaire et l’approximation de Derjaguin, une théorie de la double couche électrique dont la compatibilité avec l’expérience se vérifie depuis près de 50 ans. Les flux (de volume, de charge et de soluté) sont aussi reliés aux forces (mécanique, électrique et diffusive) par une matrice d’Onsager (1931), dont les coefficients sont calculés, à la manière de Smoluchowski (1903), en appliquant les lois du transport (équations de Stokes et de Nernst-Planck avec advection) dans les doubles couches électriques. Nous comparons notre modèle pour la force de surface dynamique à nos mesures expérimentales, sans paramètre d’ajustement. La condition aux limites électrique (charge de surface) utilisée dans le modèle est effectivement directement déduite de la force d’équilibre, que nous mesurons simultanément à la force dynamique. Ceci constitue le point fort de notre approche, permise par les caractéristiques uniques de notre dSFA. Le modèle reproduit quantitativement les mesures, en particulier le sur-amortissement observé, dans toute la région des paramètres explorée. Ainsi, dans des situations dynamiques proche de l’équilibre, l’équation de Stokes s’applique au voisinage d’une surface chargée, et la(les) charge(s) de surface impliquée(s) dans les transports électrocinétiques reste(nt) celle d’équilibre. Ce résultat est, à notre connaissance, la première comparaison directe entre la théorie de Smoluchowski des phénomènes électrocinétiques et l’expérience.