Transport et Dynamique aux interfaces (T&D)

Dynamique de mouillage et séchage en nanopores superhydrophobe

Cyril PICARD, Marie PLAZANET et Élisabeth CHARLAIX, en collab. avec Benoit COASNE (équipe PSM), Xavier CATTOËN (Institut Néel, Grenoble), Frédéric PIGNON (Laboratoire Rhéologie et Procédés, Grenoble) et Oskar PARIS (Montanuniversitat, Leoben, Autriche)

Nous explorons l’équilibre et le transport de fluides purs et de solutions au sein de matériaux superhydrophobes cristallins constitués de pores nanométriques ou sub-nanométriques. Une des voies expérimentales repose sur l’étude des régimes transitoires de mouillage et séchage dans ces pores. Cela nous permet de révéler, au voisinage de l’échelle moléculaire, le rôle thermodynamique des lignes de contact via la tension de ligne, les processus de nucléation hétérogène de nanobulles, les phénomènes d’ancrage de ligne de contact sur des défauts de quelques angström, ou encore la déformation des nanopores. Ces phénomènes sont à l’œuvre dans une large palette de systèmes naturels et industriels. Dans le cadre de ce travail, émergent des approches originales pour le stockage de l’énergie et la valorisation de nouvelles sources renouvelables.

Financements : ANR LyStEn, ANR TamTam, Labex TEC21, Programme de prématuration CNRS

Dynamics of heterogeneous wetting in periodic hybrid nanopores
Cyril Picard, Valentin Gérard, Loïc Michel, X. Cattoen, Elisabeth Charlaix
Journal of Chemical Physics, 2021, 154 (16), pp.164710. ⟨10.1063/5.0044391⟩

Carbon dioxide as a line active agent: its impact on line tension and nucleation rate
Romain Bey, Benoit Coasne, Cyril Picard
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2021, 118 (33), ⟨10.1073/pnas.2102449118⟩

The bowtie-shaped deformation isotherm of superhydrophobic cylindrical mesopores
Loïc Michel, Lukas Ludescher, Viviana Cristiglio, Elisabeth Charlaix, Oskar Paris, Cyril Picard
Langmuir, 2022, 38 (1), pp.211-220. ⟨10.1021/acs.langmuir.1c02427⟩

Nanofluidique pour la valorisation d’énergie osmotique renouvelable

Cyril PICARD, Élise LORENCEAU et Élisabeth CHARLAIX, en collab. avec Jean-François MOTTE (Institut Néel, Grenoble), Vincent LARREY (Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information, CEA, Grenoble) et Anne-Laure BIANCE (Institut Lumière Matière, Lyon)

En nanofluidique le transport est largement contrôlé par les interactions entre fluide et solide et les phénomènes interfaciaux qui en résultent. Nous étudions le couplage entre hydrodynamique au voisinage d’interface, électrocinétique et diffusio-osmose avec en ligne de mire des applications pour la récupération d’énergie, et la production d’eau potable. Au-delà des couplages intrinsèques à l’échelle nanométrique, ces applications requièrent de tenir compte de l’ensemble des phénomènes qui interagissent depuis cette échelle nanométrique jusqu’à l’échelle macroscopique. Nous menons donc à la fois une recherche fondée sur des nanopores uniques mais également sur l’élaboration de systèmes hiérarchiques afin d’optimiser les couplages nano/micro/macro.

Financement : Région Auvergne-Rhône-Alpes

A Direct Sensor to Measure Minute Liquid Flow Rates
Preeti Sharma, Jean-François Motte, Frank Fournel, Benjamin Cross, Elisabeth Charlaix, Cyril Picard
Nano Letters, 2018, 18 (9), pp.5726-5730. ⟨10.1021/acs.nanolett.8b02332⟩

Filtration et capture de gaz par des mousses aqueuses

Élise LORENCEAU, en collab. avec Benoit COASNE (équipe PSM), Benjamin DOLLET (équipe MOVE), Hugues BODIGUEL (Laboratoire Rhéologie et Procédés, Grenoble), Marie LE MERRER, Anne-Laure BIANCE et Oriane BONHOMME (Institut Lumière Matière, Lyon)

Les films liquides minces peuvent changer la donne dans la recherche de stratégies efficaces de séparation et capture des gaz. Ces membranes fluides, qui sont complémentaires de leurs homologues solides impliquant des matériaux poreux, peuvent réaliser une séparation complexe en combinant des mécanismes de perméabilité/adsorption dans le cœur du liquide et à sa surface, en particulier si elles sont chargées de molécules tensioactives. De plus, la régénération nécessaire entre les étapes de séparation - un obstacle connu pour les membranes solides poreuses - peut être facilement réalisée en utilisant un flux continu de liquide à travers le film fluide. Dans ce cadre, les mousses aqueuses, constituées de plusieurs films de savon connectés hydrodynamiquement, présentent un intérêt particulier. Nous proposons une approche multi-échelle pour mieux comprendre la cinétique et le débit de la séparation des gaz par les mousses aqueuses.

A l'échelle des molécules, nous étudions la cinétique de transfert de gaz via un film chargé en tensioactifs grâce à des simulations de dynamique moléculaire (collaboration avec Benoit Coasne).

A l'échelle d'un seul film, nous proposons un dispositif expérimental simple permettant une évaluation quantitative directe de la perméabilité de films de savon stabilisés à l'aide de différents types de tensioactifs. Ce dispositif permet notamment la mesure simultanée du rapport de perméabilité d’un mélange constitué de deux gaz. Alors que pour des mélanges de gaz simples type N2/O2 nous retrouvons les valeurs théoriques attendues pour le rapport de perméabilité, nous observons des modifications surprenantes lorsque nous utilisant des mélanges N2/C6F14 ou N2/CO2. Ces effets sont vraisemblablement induits par une adsorption du C6F14 ou CO2 sur les queues hydrophobes des tensioactifs.

A l’échelle de plusieurs films, nous quantifions la capacité d’une mousse aqueuse à séparer ou stocker un des gaz en phase liquide.

Financements : Labex TEC21, IDEX Université Grenoble Alpes, Région Auvergne-Rhône-Alpes - Pack Ambition Recherche

Impact of Fluorocarbon Gaseous Environments on the Permeability of Foam Films to Air
Céline Hadji, Benjamin Dollet, Hugues Bodiguel, Wiebke Drenckhan, Benoit Coasne, E. Lorenceau
Langmuir, 2020, ⟨10.1021/acs.langmuir.0c02158⟩

Transport et acoustique multi-échelle en milieux nanoporeux

Marie PLAZANET, en collab. avec Benoit COASNE (équipe PSM)

De nombreuses technologies relatives à des fins de séparation, catalyse, stockage etc. sont basées sur l’adsorption et le transport de fluides dans des membranes nanoporeuses. Ces dernières doivent souvent être caractérisées dans des conditions extrêmes de température ou des milieux agressifs. Ce projet propose de développer des techniques acoustiques pour répondre à ce besoin.

Dans ce contexte, nous proposons d’élucider la signature acoustique de l'adsorption/transport dans les matériaux nanoporeux de l’échelle atomique à macroscopique. À chaque échelle, des techniques expérimentales et théoriques permettront de sonder l'émission acoustique spontanée générée par le système fluide/solide et sa réponse à la stimulation acoustique. Les prédictions théoriques seront comparées aux données expérimentales pour obtenir une description « bottom-up » de la signature acoustique. In fine, nous testerons l'utilisation de stimuli acoustiques pour moduler l'adsorption/transport de fluides dans les solides nanoporeux.

Financement : ANR ACOUFEN

Transport ionique à travers une interface liquide-liquide

Marie PLAZANET et Élise LORENCEAU, en collab. avec Isabelle BILLARD (Laboratoire d'Electrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces, Grenoble) et Jean-François DUFRECHE (Institut de Chimie Séparative de Marcoule, Bagnols-sur-Cèze)

Recycler sans polluer est un des défis actuels de la chimie nécessitant des systèmes innovants d'extraction liquide-liquide. Les processus peuvent présenter des situations statiques (bains) ou d’écoulement. Les mélanges ternaires aqueux avec un point critique présentent des comportements ou des structurations rendant particulièrement intéressantes leurs propriétés de solubilité ou de séparation de phase, tout en étant des solvants moins polluants du fait de la grande quantité d’eau.

Suite à la preuve de concept par Isabelle Billard et son équipe de l’utilité de systèmes biphasiques aqueux composés de liquide ioniques en solution acide pour l’extraction des métaux, nous nous sommes intéressés à l’origine physique des mécanismes de séparation. À présent, nous proposons d’aborder des questions fondamentales sur le transport ionique à travers l'interface entre deux solutions non miscibles mais néanmoins aqueuses. Les origines de la différence de potentiel chimique ressentie par les ions entre les deux phases et permettant naturellement le transport d'une phase à l'autre, fortement dépendantes de l'acidité et de la force ionique de la solution, doivent être clarifiées. De plus, des relations fines entre différents effets sont attendues : viscosité, tension de surface, glissement, advection ou polarisation des concentrations, couplées à des instabilités de l'interface liquide-liquide.

Nous développons pour cela un montage microfluidique à co-flux permettant la caractérisation du système le long du canal par spectroscopie optique (composition) et rayons X (organisation structurale). En parallèle, la simulation de dynamique moléculaire et la modélisation mésoscopique permettront de prédire les différentes contributions thermodynamiques et les interactions microscopiques conduisant le transport ionique à travers l’interface.

Financement : IDEX Université Grenoble Alpes - IRS

How Temperature Rise Can Induce Phase Separation in Aqueous Biphasic Solutions
Gautier Meyer, Ralf Schweins, Tristan Youngs, Jean-François Dufrêche, Isabelle Billard, Marie Plazanet
Journal of Physical Chemistry Letters, 2022, 13 (12), pp.2731-2736. ⟨10.1021/acs.jpclett.2c00146⟩

Dynamique de l'apolipoprotéine B-100 en interaction avec un détergent étudiée par diffusion incohérente des neutrons

Judith PETERS, en collab. avec Markus APPEL et Jacques OLLIVIER (Institut Laue-Langevin, Grenoble), Anna-Laurence SCHACHNER-NEDHERER, Gerd LEITINGER, Ruth PRASSL et Karin KORNMUELLER (Gottfried Schatz Research Center, Graz, Autriche)

L'apolipoprotéine B-100 (apo B-100) est la fraction protéique des lipoprotéines de basse et très basse densité, dont le rôle est crucial pour le transport du cholestérol et des triglycérides. En vue d'étudier les détails de la dynamique moléculaire de l'apo B-100, rarement étudiée, nous avons réalisé des expériences de diffusion élastique et quasi-élastique incohérente de neutrons (EINS, QENS) combinant différents instruments et échelles de temps. Comme pour les protéines membranaires classiques, la solubilisation entraîne la présence de détergent résiduel, ici du Nonidet P-40 (NP40). Par conséquent, nous proposons un cadre pour les études QENS des complexes protéine-détergent, avec l'introduction d'un modèle combiné, incluant le rapport expérimental apo B-100/NP40. S'appuyant sur l'analyse simultanée de toutes les amplitudes QENS, cette approche est suffisamment sensible pour séparer les deux contributions. Son application a permis d'identifier deux points : (i) la dynamique lente de l'apo B-100 et (ii) l'accélération de la dynamique du NP40 en présence de l'apo B-100. La traduction directe de la méthodologie exposée rend désormais possible l'étude d'un plus grand nombre de protéines membranaires par spectroscopie neutronique.

Financements : Fondation CFM pour la recherche, Campus France - PHC Amadeus, OeAD - WTZ

Dynamics of Apolipoprotein B-100 in Interaction with Detergent Probed by Incoherent Neutron Scattering
Aline Cisse, Anna-Laurence Schachner-Nedherer, Markus Appel, Christian Beck, Jacques Ollivier, Gerd Leitinger, Ruth Prassl, Karin Kornmueller, Judith Peters
Journal of Physical Chemistry Letters, 2021, 12 (51), pp.12402-12410. ⟨10.1021/acs.jpclett.1c03141⟩

Le modèle Matryoshka pour les mouvements dans les membranes lipidiques

Judith PETERS, en collab. avec Dominique BICOUT (Institut Laue-Langevin, Grenoble) et Tatsuhito MATSUO (Institute for Quantum Life Science, Tokai, Japon)

Les membranes lipidiques sont à la base de l'organisation cellulaire. Selon leur composition et leur association avec d'autres molécules, elles agissent à la fois comme une frontière pour la cellule et aussi comme un filtre qui entre ou sort de la cellule. Comprendre leur fonctionnalité à la lumière de leur structure et de leur dynamique est donc crucial.

À cette fin, la diffusion quasi-élastique de neutrons (QENS) est un outil puissant permettant d'accéder à la dynamique des membranes lipidiques à l'échelle de temps picoseconde. Cependant, pendant des années, seuls quelques modèles ont examiné la dynamique locale des lipides, alors que l'augmentation du flux de neutrons et de la qualité des données dans les nouveaux spectromètres exige de nouveaux modèles généraux.

Inspiré par les travaux de Pfeiffer et al. dans les années 1980 [Pfeiffer et al., Europhys. Lett. 8, 201 (1989)], le modèle Matryoshka est un modèle générique décrivant dans le même cadre les principaux mouvements locaux des molécules lipidiques et l'organisation de la dynamique sur la séparation des molécules comme proposé par Wanderlingh et al. [Wanderlingh et al., J. Chem. Phys. 140, 174901 (2014)].

Financement : Fondation CFM pour la recherche

The dynamical Matryoshka model: 2. Modeling of local lipid dynamics at the sub-nanosecond timescale in phospholipid membranes
Aline Cisse, Tatsuhito Matsuo, Marie Plazanet, Francesca Natali, Michael Marek Koza, Jacques Ollivier, Dominique J Bicout, Judith Peters
Biochimica et Biophysica Acta:Biomembranes, 2022, 1864 (9), pp.183950. ⟨10.1016/j.bbamem.2022.183950⟩

Les effets quantiques nucléaires en biophysique

Judith PETERS, en collab. avec Gerald KNELLER (Centre de Biophysique Moléculaire, Orléans & Synchrotron SOLEIL, Gif-sur-Yvette)

Depuis plusieurs décennies, les données de diffusion incohérente neutronique sur des échantillons biologiques sont analysées par une approche approximative classique par manque d’une description quantique complète de tels systèmes hautement complexes. Sachant que les protéines contiennent typiquement des milliers ou dizaines de milliers d’atomes, il est en effet impossible de décrire de tels systèmes par un Hamiltonien exact. Récemment, notre collaborateur Gerald Kneller a proposé une nouvelle méthode d’interprétation spectroscopique basée sur des probabilités de type Franck-Condon de transitions entre états quantiques de la cible. Les expressions obtenues pour les fonctions de diffusion permettent une analyse en termes d’un paysage énergétique quantique des spectres neutroniques ainsi qu’une interprétation physique des fonctions de corrélation dans l’espace-temps de van Hove à l’aide d’effets quantiques.

Financement : CNRS MITI 2021 - Modélisation du vivant

Franck–Condon picture of incoherent neutron scattering
Gerald Kneller
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2018, 115 (38), pp.9450-9455. ⟨10.1073/pnas.1718720115⟩