Thèse Mouillage et Séchage dans des Pores Nanométriques Effets Thermiques Inédits et Enjeux dans le Domaine de l'Énergie H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production Laboratoire de recherche : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique Direction de la thèse : Cyril PICARD ORCID 0002000222822617 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-21T23:59:59 L'eau confinée est omniprésente dans la nature. Elle joue un rôle crucial dans les processus biochimiques qui maintiennent la vie, mais aussi dans divers phénomènes à l'échelle nanométrique qui sont fondamentaux pour relever les défis sociétaux urgents, tels que la garantie d'un approvisionnement durable en eau potable et la décarbonisation de nos sources d'énergie.
Dans ce contexte, ce projet de thèse, financé par le projet ANR franco-brésilien HTD-PoM, vise à explorer les phénomènes thermomécaniques consécutifs au confinement de solutions aqueuses dans des nanopores hydrophobes.
L'approche expérimentale utilisera des fluides poreux constitués de particules nanoporeuses hydrophobes ordonnées immergées dans de l'eau ou une solution aqueuse et des mesures de calo-porosimétrie dynamique à l'aide d'un appareil innovant récemment développé au LIPhy. Cet instrument permet de caractériser le remplissage forcé sous pression des particules nanoporeuses hydrophobes, ainsi que leur séchage spontané lorsque la pression est relâchée. Ce travail de thèse ouvrira une nouvelle voie pour mettre en lumière les effets thermiques liés au mouillage et au séchage sous confinement.
Des mesures calorimétriques rapides permettront de déterminer la chaleur dégagée lors du remplissage des particules en jouant avec différentes solutions et matériaux nanoporeux. Elles donneront également accès aux propriétés thermoélastiques des liquides confinés et à la conductivité thermique des particules nanoporeuses en fonction de leur état vide ou rempli. Comme prédit par nos récentes simulations numériques, les interfaces jouent un rôle clé à ces échelles nanométriques et peuvent conduire à des comportements surprenants tels que la diminution de la conductivité thermique des particules lorsqu'elles sont remplies d'eau. Cette thèse sera réalisée conjointement avec des travaux numériques dans le cadre du projet HTD-PoM et contribuera également à un projet appliqué au laboratoire dédié à une approche innovante pour la récupération de l'énergie osmotique financé par un contrat industriel.
Les candidats doivent avoir une solide formation en physique, en matière molle et en thermodynamique, ainsi qu'un intérêt certain pour la physico-chimie. Plus généralement, le candidat doit être à l'aise avec l'interdisciplinarité et motivé par l'instrumentation et les défis expérimentaux ! Dans le contexte applicatif touchant à l'eau et à l'énergie, la recherche fondamentale en nanofluidique vise à comprendre les phénomènes de transport couplés, principalement de masse, de solutés et de courant ionique au voisinage de l'échelle nanométrique. En revanche le transport de chaleur et plus largement les effets thermiques spécifiques de ces échelles sont restés dans l'ombre expérimentalement alors que leur rôle n'est pas anodin.
C'est dans ce cadre que s'inscrit le projet de thèse, qui vise à explorer les phénomènes mécaniques et thermiques lors du confinement de solutions aqueuses dans des nanopores hydrophobes. Trois axes sont pressentis dans le cadre de ce travail expérimental. L'étude du couplage subtil entre énergie osmotique et énergie thermique, la caractérisation des propriétés thermoélas- tiques de fluides confinés, enfin l'exploration de la conductivité thermique de matériaux nanoporeux en fonction de leur contenu. Certains matériaux nanoporeux constituent d'exceptionnels isolants thermiques. Or nous avons récemment prédit numériquement un comportement surprenant : une conductivité thermique encore plus faible lorsque les particules sont remplies en liquide à l'opposé de ce qu'on constate à l'échelle macroscopique (chacun sait qu'un vêtement humide est moins isolant et favorise les transferts thermiques). L'expérience confirme-t-elle cette prédiction ? La thèse permettra de répondre à cette question. Plus précisément, le travail sera fondé sur une approche expérimentale originale reposant sur l'emploi de particules nanoporeuses hydrophobes ordonnées immergées dans de l'eau ou une solution aqueuse. Le remplissage forcé s'opère par pressurisation du liquide à plusieurs centaines de bars tandis que le séchage est spontané lorsque la pression est relâchée. Le dispositif expérimental permet de caractériser finement les pressions ainsi que les variations de température caractéristiques de ces processus en fonction de leur durée contrôlée par le dispositif sur quatre décades de temps. Ces mesures mécaniques et thermiques constituent des signatures macroscopiques des phénomènes de mouillage et séchages à l'oeuvre sous confinement nanométriques voire sub-nanométriques, phénomènes dont l'étude est restée marginale dans le champ de la nanofluidique.