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Thèse Année : 2015

Water confined in soft nanomaterials

L'eau confinée dans des matériaux nanostructurés

Samuel Hanot
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 777782
  • IdRef : 192736876

Résumé

Water is omnipresent and plays a decisive role in a myriad of processes. However, it is often found hidden in tiny cells, pores, or channels. Insuch cases, the usual “bulk” features of water are modified by the limited available space and the interactions of individual molecules with the confining material. Elucidating the properties of water in such confined states is critical and general understanding can only be achieved through models. While water confined in model hard materials such as carbon nanotubes is well documented, we found that there existno general model to study water confined in soft materials, although this has been an active research topic for decades and despite the numerous models specific to one biomolecule or polymer that have been developed. In this thesis, we present a numerical model of water confined in soft self-assembled environments, and we provide an understanding of how the interplay between water and the confining matrix affects the structure of the assemblies and transport propertiesof water. Our model confining matrix is composed of ionic surfactants.This versatile model is able to self-assemble to a wide variety of confining geometries.We focus on the role of interfaces in shaping the nanometer scale structure, and nanosecond scale transport properties. This work is a departure from the traditional approach to the problem of transport of water confined in soft nanomaterials. We show that the usual hypothesis of diffusive water transport does not hold due to trapping of moleculesat the interface with the confining matrix. Instead, we support a picture where transport is sub-diffusive, and we highlight the role of the length-scale of the confinement and of its topological features. We find that this rationale explains experimental results for water confined in synthetic materials, and that it is compatible with recent advances in the understanding of biological water.
L'eau est partout et joue un rôle déterminant dans une multitude de processus. Cependant, on la trouve souvent au sein de minuscules cellules, pores, ou canaux. En de tels cas, les proprietés “macroscopiques” de l'eau sont modifiées par les restrictions spatiales et les interactions entre les molécules d'eau et le matériau confinant. Elucider les propriétés de l'eau en confinement est crucial, et une compréhension générale peut seulement être obtenue à travers l'utilisation de modèles. Alors que l'eau confinée dans des matériaux durs tels que les nanotubes de carbone est bien documentée, nous n'avons pas trouvé de modèle général pour l'étude de l'eau confinée a des matériaux mous, et ce en dépit de décennies de recherches sur de nombreux modèles spécifiques à une biomolécule ou un polymère en particulier.Dans cette thèse, nous présentons un modèle numérique d'eau confinée dans des géométries molles, générées par auto-assemblage. Nous comprenons la manière dont les interactions réciproques entre l'eau et la matrice confinante déterminent la structure des assemblages et les propriétés de transport de l'eau. Nous avons choisi un modèle de surfactant ioniques, matériaux très versatiles qui sont capables de s'auto-assembler en diverses géométries confinantes.Nous nous concentrons sur l'effet des interfaces sur la formation de la nanostructure et sur les propriétés de transport à l'échelle de la nanoseconde. Nous nous distançons de l'approche traditionnelle au problème du transport de l'eau dans des nanomatériaux. Nous montrons que l'hypothèse habituelle du transport diffusif est invalide car la matrice confinante piège les molécules d'eau à l'interface. Nous proposons de remplacer cette hypothèse par celle du transport sous-diffusif, et nous mettons en évidence le rôle de l'échelle de taille et des propriétés topologiques du confinement. Nous montrons que cette approche explique des résultats expérimentaux pour l'eau confinée dans des matériaux de synthèse, et qu'elle est compatible avec les développements récents liés à l'eau biologique.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-01305512 , version 1 (21-04-2016)
tel-01305512 , version 2 (21-04-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01305512 , version 1

Citer

Samuel Hanot. Water confined in soft nanomaterials. Soft Condensed Matter [cond-mat.soft]. Université Grenoble Alpes, 2015. English. ⟨NNT : 2015GREAY058⟩. ⟨tel-01305512v1⟩
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