Solid state nanopores for sensing and energy applications

Nanopores artificiels pour la détection et la production d’énergie Les dispositifs à nanopores sont une technologie émergente basée sur le transport de molécules, d'ions et de fluides par un pore de taille nanométrique. Au cours des dernières décennies, ces systèmes ont été largement étudiés et plusieurs applications allant de l'analyse biologique et des capteurs de molécules (détection de nanopores) à la production d'énergie (récolte d'énergie du gradient de salinité) ont été proposées. Malgré l'intérêt croissant de la communauté scientifique et les progrès réalisés dans la compréhension de ses systèmes, la conception de dispositifs de routine à base de nanopores n’est pas courante. En effet, les modèles théoriques échouent souvent à prédire quantitativement les données expérimentales, puisque les hypothèses sur lesquelles ils reposent ne semblent pas vérifiées dans les pores nanométriques. Les effets de confinement des fluides, des formes géométriques des nanopores et des propriétés physico-chimiques interfaciales, conduit à un phénomène de transport électrohydrodynamique non trivial, agissant à des échelles de longueur temporelle et spatiale très différentes. Dans ce scénario complexe, différentes approches numériques sont nécessaires pour mieux comprendre les phénomènes physiques influençant les performances et les expériences des nanopores. Ce travail de thèse se focalise sur les applications des nanopore pour production d’énergie et de capteur. Concernant la production d'énergie, les effets de la forme sur les principaux paramètres sont utilisés pour évaluer les performances des nanopores solide. Pour les applications de capteur, une étude sur le rôle de différentes décorations de charge pour différents profils de nanopores, sur le flux électroosmotique dans le but d'améliorer le taux de capture de molécules est proposée. Ces deux axes sont traités par des méthodes numériques impliquant les modèles continus. Plus précisément, les équations qui régissent ces systèmes sont résolues par la méthode des éléments finis (FEM).Dans le chapitre 2, la technique de la méthode des éléments finis est brièvement exposée avant de présenter le logiciel FEM qui a été développé pour les applications de nanopores. Un ensemble de validations par rapport à des cas de référence issus de la littérature scientifique est également rapporté.Concernant la collecte d'énergie du gradient de salinité à base de nanopores, dans le chapitre 3, une étude numérique systématique sur l'effet des géométries de pores en forme d’obus, coniques et cylindriques est présentée. Nous montrons plus particulièrement que pour les nanopores solide très fins et chargés, l'approche théorique couramment utilisée pour évaluer les paramètres de performance (potentiel de membrane) peut échouer. Enfin, une comparaison, en termes de puissance générée et de rendement, pour les trois géométries considérées, est décrite. Pour ce qui concerne le capteur nanopore, dans le chapitre 4, l'effet de différentes décorations de charge sur le flux électroosmotique dans les nanopores, est présenté. L'étude vise à fournir des informations qualitatives concernant le comportement du flux électroosmotique pour différentes positions de charge fixe sur les parois des nanopores, sans compromettre la capacité de détection dans les pores cylindriques et coniques. Ainsi, au moyen de simulations électrohydrodynamiques, nous montrons que les décorations de charge de surface éloignées de la région de détection des pores permettent d'induire un flux électroosmotique et d'augmenter la fréquence de capture des particules par rapport à une capture purement diffusive. Pour les deux applications, nos résultats numériques proposent des pistes d'amélioration des performances des systèmes. De plus, les outils que nous avons développés peuvent être utilisés pour explorer un large éventail de configurations de nanopores pour obtenir des résultats quantitatifs et qualitatifs.