Stage de Master 2 : Transports fluidique et électrique dans les solutions salines confinées

Comment une solution saline s’écoule-t-elle et comment conduit-elle l’électricité lorsqu’elle est confinée ?
Dans le bulk, les propriétés d’écoulement et de conduction électrique des solutions salines sont aujourd’hui bien comprises. Mais que se passe-t-il lorsque le liquide est confiné dans un espace de quelques dizaines de nanomètres, voire de quelques nanomètres seulement ? Cette question est au cœur de nombreux phénomènes naturels et technologies émergentes : transport à travers les membranes cellulaires, filtration du sang, dépollution, récupération d’énergie osmotique, stockage électrochimique ou encore iontronique.
Lorsque le confinement atteint quelques dizaines de nanomètres, les interactions avec les surfaces deviennent déterminantes : glissement hydrodynamique, couplages électrocinétiques ou encore capacité de la double couche électrique modifient profondément les propriétés de transport. À l’échelle de quelques nanomètres, la description continue elle-même atteint ses limites et la structure moléculaire, les corrélations électrostatiques et les fluctuations prennent le dessus ; les transports fluidique, ionique et électronique se retrouvent alors intimement couplés [1].

Les transports dans les solutions salines confinées sont généralement étudiés à l’aide de dispositifs nanofluidiques ou de techniques électrochimiques. Ces approches présentent toutefois une difficulté majeure : contrôler simultanément et précisément le confinement (sans effets de bords ou distribution de pores) et les conditions limites aux surfaces (charge, glissement) en contact avec le liquide. L’Appareil à Force de Surface dynamique (dSFA) développé dans notre laboratoire offre précisément cette possibilité.

Grâce à cet instrument, nous avons récemment montré qu’une solution saline confinée entre des surfaces de verre ne se comporte pas comme un simple liquide visqueux : elle présente un sur-amortissement hydrodynamique [2]. Nous avons établi que ce phénomène provient de contre-écoulements électro-osmotiques générés au voisinage des surfaces isolantes chargées électrostatiquement, et avons décrit quantitativement son amplitude et sa portée en fonction de la nature de la solution [3].
Lorsque les surfaces isolantes en verre sont remplacées par des surfaces conductrices de platine, nous observons au contraire un sous-amortissement par rapport à un liquide de même viscosité dépourvu de charges électriques. L’interprétation de ce phénomène reste à établir. Une chose apparaît cependant clairement : la nature électrique des surfaces confinantes peut profondément modifier l’écoulement du liquide.

L’objectif de ce stage est de comprendre comment la conductivité électrique des surfaces confinantes contrôle les propriétés d’écoulement d’une solution saline nanoconfinée. Pour cela, le projet s’appuiera sur des surfaces semi-conductrices, permettant d’explorer expérimentalement une situation intermédiaire entre surfaces isolantes et conductrices.

Le stage comportera plusieurs étapes complémentaires :

• fabrication des surfaces par pulvérisation ;

• caractérisation de leur topographie par microscopie à force atomique (AFM) ;

• réalisation d’expériences de dSFA pour mesurer les forces hydrodynamiques dans les solutions confinées ;

• analyse et modélisation des résultats afin d’identifier le rôle de la conductivité des surfaces.

L’ensemble des techniques expérimentales nécessaires est disponible et maîtrisé au laboratoire. Le stage permettra ainsi au candidat de se former à un ensemble de techniques expérimentales de pointe, à l’interface entre mécanique des fluides, physique de la matière condensée et physique des interfaces.

Ce projet s’inscrit dans une thématique de recherche actuellement développée au laboratoire et pourra se poursuivre en thèse, financée dans le cadre du projet ANR JCJC ElectroMecano. La poursuite du projet permettra notamment d’aller plus loin avec la combinaison de mesures mécaniques et mesures électriques au sein du dSFA, afin de construire une compréhension unifiée des transports fluidique, ionique et électronique sous confinement.

[1] N. Kavokine, R. R. Netz & L. Bocquet, Fluids at the Nanoscale: From Continuum to Subcontinuum Transport, Annual Review of Fluid Mechanics 53:377-410 (2021)
[2] C. Cramail, Forces de surface dynamiques des solutions ioniques confinées : mesures expérimentales et modélisation théorique, PhD Thesis (2024)
[3] C. Cramail, R. Lhermerout, B. Cross & Elisabeth Charlaix, Hydrodynamic forces in the drainage of an electrolyte confined between dielectric surfaces, J. Fluid Mech. (in press)