Étude théorique et simulations de dynamique moléculaire du frottement liquide/solide dans des nanopores à base de graphite : rôle de la courbure dans le transport rapide des fluides à l'intérieur des nanotubes de carbone

• Main Author: Falk, Kerstin
• Language: ENG
• Published: Université Claude Bernard - Lyon I 2011
• Subjects: [PHYS:COND:CM_GEN] Physics/Condensed Matter/Other; Nanofluidique; Glissement; Coefficient de frottement liquide/solide; Nanotube de carbone; Simulations de dynamique moléculaire
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00755026; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/75/50/26/PDF/TH2011_Falk_Kerstin_Iris.pdf

Ce manuscrit présente une description théorique des propriétés de transport exceptionnelles des liquides dans les nanotubes de carbone (CNT). La perméabilité de ces canaux dépasse largement ce qui est prévu par les équations de l'hydrodynamique et la condition limite de non-glissement. Au cours des dernières années, plusieurs groupes ont effectué des expériences d'écoulement de liquides dans des membranes de CNT. Une perméabilité très supérieure à l'attente classique a été observée. Dans ce contexte, nous avons mené une étude exhaustive du frottement liquide/solide qui apparaît pendant l'écoulement d'un fluide dans un CNT, à l'aide de simulations de dynamique moléculaire. Le coefficient de frottement a été mesuré pour différents systèmes en utilisant plusieurs méthodes indépendantes. Les simulations ont montré que le coefficient de frottement était indépendant du confinement, mais qu'il dépendait considérablement de la courbure de la paroi. Pour l'eau dans un CNT, le coefficient de frottement diminue avec le rayon du tube. Nous avons ensuite établi une expression approchée du coefficient de frottement, qui le relie à des propriétés microscopiques de l'interface entre le liquide et la paroi. Cette expression reproduit la dépendance du coefficient de frottement avec la courbure, et permet de l'expliquer à partir des trois paramètres statiques suivants : la densité surfacique de l'eau, la rugosité de la paroi et la commensurabilité entre les structures de la paroi et de la première couche d'eau à l'interface. En résumé, notre étude a permis une compréhension détaillée du frottement de l'eau dans les CNT, qui explique l'origine de sa valeur extrêmement basse.