Réduire l'étude des objets à l'échelle nanométrique révèle souvent de nouvelles propriétés de la matière qui n'ont pas d'équivalent pour leur analyse globale. Ce phénomène motive de nombreuses études actuelles sur les nanomatériaux qui peuvent révéler de nouveaux phénomènes fascinants.

Il a inspiré un groupe de chercheurs du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) pour explorer l'étendue de nos connaissances sur les propriétés fondamentales des fluides, qui demande une remise en cause avec l'utilisation croissante des fluides dans les tailles décroissantes des nouveaux appareils, où leur flux est confiné dans des tubes capillaires de plus en plus petits.

Comme le rapport du groupe dans Le Journal de Physique Chimique ils ont découvert un état particulier de miscible, ou mélangeable, fluides contenus dans les nanocanaux.

Cet état particulier « correspond à un état bien ordonné, disposition concentrique de deux régions liquides coexistantes de composition différente, " a déclaré Denis Morineau, directeur de recherche au CNRS, à Rennes. "Une région forme une enveloppe entourant un deuxième noyau liquide, dont les deux ont une épaisseur radiale de seulement une à quatre tailles moléculaires.

"[Le phénomène] est connu sous le nom de 'séparation de microphase' car cela n'implique pas que les constituants des deux régions liquides se sépareront effectivement en phase, " at-il dit. " Ils forment en fait une phase liquide homogène unique dans des conditions normales. En réalité, cette tendance cachée des fluides binaires à former des structures ordonnées supramoléculaires spontanées n'est révélée qu'à l'échelle microscopique."

À l'école primaire, de nombreux élèves expérimentent avec des gouttelettes d'encre, dire, un stylo plume pour observer leur dispersion dans un verre d'eau. Finalement, la gouttelette se disperse complètement et la combinaison miscible conduit à la formation d'un ensemble homogène, solution bleu clair.

"Cela montre que deux liquides sont parfaitement miscibles et que leur mélange binaire forme une seule phase liquide à l'équilibre thermodynamique, " dit Morineau. " Maintenant, en combinant différentes paires de solvants simples, nous avons montré que cette propriété inhérente aux liquides binaires entièrement miscibles est invalidée lorsque la taille du conteneur est réduite. »

Effectivement, ils ont mesuré directement à quel point il est trop petit pour qu'un échantillon de deux liquides miscibles soit considéré comme une solution combinée.

Ce phénomène a été observé pour la première fois lors d'une expérience de diffusion de neutrons réalisée à la Source nationale de neutrons française Orphée dans le Laboratoire Léon Brillouin (LLB). L'étude a été développée au LLB en collaboration avec l'European Large Scale Facility (Institut Laue-Langevin).

"Les neutrons diffusés révèlent où se trouvent les atomes dans l'échantillon avec une résolution spatiale qui atteint l'échelle nanométrique, " Morineau a déclaré. "La méthode unique est sensible à la nature isotopique de l'atome. Contrairement aux rayons X, ils fournissent une distinction claire entre l'hydrogène et (l'isotope de l'hydrogène) deutérium. »

Le groupe a appliqué cette méthode pour étudier la structure de solvants simples tels que les hydrocarbures et les alcools, imprégné de synthétique, solides poreux en verre de silice. Le verre présentait un arrangement en nid d'abeille de parallèles, huit canaux cylindriques de large nanomètre. Le matériau poreux a servi de collection de tubes à essai de taille nanométrique.

Le groupe de Morineau mélange des molécules d'un même liquide, mais différant par le nombre total de neutrons de l'échange d'atomes d'hydrogène avec son isotope le plus lourd, deutérium. Avec les bonnes proportions, le mélange peut être réglé pour diffuser des neutrons correspondant à la diffusion des tubes de verre, rendant les deux indiscernables.

"Nous avons d'abord utilisé cette astuce pour préparer et confiner des liquides qui ont la même interaction avec les neutrons que les nanocapillaires en verre de silice. Dans cette condition de contraste, le neutron est aveugle au liquide et l'intensité diffusée mesurée est annulée, " a déclaré Morineau. " [Avec de l'encre cela correspondrait] à la situation dans laquelle la solution encrée et le récipient en verre ont exactement la même couleur, les rendant indiscernables."

Le groupe a eu une observation surprenante pour certains liquides binaires confiés, où ils s'attendaient à un comportement d'appariement des neutrons, mais le signal était plus élevé que jamais.

« Ce fut la première preuve directe que le paradigme de la composition homogène dans un mélange entièrement miscible doit se décomposer au sein des nanocanaux, " dit Morineau.

Pour une applicabilité réelle, le groupe a étendu une série d'expériences soigneusement conçues pour établir des méthodes d'étiquetage des composants des liquides binaires.

« Combinée au développement d'un modèle de calcul, il montre un excellent accord avec nos expériences actuelles, " Morineau a déclaré. "Nous avons fourni une méthode pratique pour évaluer les structures originales des fluides imbibés dans des environnements à l'échelle nanométrique. "

La manipulation de liquides dans des pores nanostructurés est une activité commune à de nombreux procédés de chimie et de science des matériaux, mais joue également un rôle important dans les environnements biologiques où les chercheurs s'attendent à ce que leurs travaux aient une large applicabilité.

"Notre étude suggère que la séparation en microphase, en tant que nouveau type de nanostructure, résulte des effets concomitants des interactions de surface spécifiques et du confinement spatial, " a déclaré Morineau. "Nous sommes donc enthousiasmés par l'opportunité offerte par la modulation des deux éléments de promouvoir un nouveau contrôle sur l'assemblage supermoléculaire de mélanges complexes."

Ils prévoient d'approfondir l'étude de la dynamique, les propriétés hors d'équilibre et l'écoulement des fluides dans de tels systèmes. "Ce sont fondamentalement d'intérêt, ainsi que pour le développement de dispositifs nanofluidiques, ", a-t-il déclaré. "Nous collaborons maintenant avec deux groupes de recherche de Hambourg pour explorer ces différentes perspectives."