Structure and connectivity of water molecules at the interfaces of nanoconfined systems

Structure et connectivité de molécules d’eau aux interfaces de systèmesnanoconfinants La compréhension des mécanismes d’absorption de l’eau, ainsi que l’arrangement moléculaire adopté par le réseau de molécules d’eau lors du confinement à l’échelle nanométrique, est crucial que ce soit pour l’optimisation de plusieurs applications, telles que la production d’énergie propre, la purification et le dessalement de l’eau, ou pour élucider certains processus complexes qui ont lieu dans les systèmes biologiques. Dans le cadre de cette thèse, l’hydratation contrôlée de trois systèmes poreux modèles suivie par spectroscopie infrarouge montre les effets de la nature des surfaces et des limitations stériques qui, en altérant les liaisons hydrogène établies entre les molécules d’eau, déclenche la formation de réseaux atypiques. La brillance de la source de rayonnement synchrotron infrarouge, exploitée par la ligne de lumière AILES au sein du synchrotron SOLEIL, a permis l’étude d’échantillons très absorbants en permettant de mettre en évidence la faible contribution de monocouches de molécules d’eau voire même de chaînes linéaires. L'effet d'une surface hydrophile sur la structure, la densité et la dynamique des molécules d'eau à l'interface a été étudié en mesurant l’absorbance d’une lamelle de Vycor poreux (pores d’environ 5 nm) à l’équilibre avec une pression de vapeur d'eau donnant lieu à la formation d’un réseau d’eau bi-dimensionnel. Les interactions fortes entre l’eau interfaciale et la surface hydrophile provoquent plusieurs transitions structurales du réseau d’eau expliquant ainsi les observations par d’autres techniques. Des similitudes et des différences surprenantes ont été observés entre l’hydratation d’une surface hydrophile et celle d’un système hydrophobe dans des conditions de confinement extrême : les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNTs) ayant un diamètre de quelques Angstrom. Nos mesures ont montré que l’établissement d’un réseau de molécules d’eau unique peut être à l’origine du déplacement rapide des molécules d’eau à l’intérieur des nanotubes de carbone. Enfin, l’étude des mécanismes d’adsorption de la membrane Nafion, membrane modèle dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFCs), a permis de clarifier les processus en jeu lors de l’ionisation et la formation d’espèces protonique responsable de la remarquable conductivité ionique propre à cette famille de membranes.Cette méthodologie pourra être étendue à des systèmes plus complexes, tels que les réseaux de molécules d’eau dans les systèmes biologiques.