Experimental systems developed to study water confined inside individual single-walled carbon nanotubes

Development de systems experimentaux pour l'etude de l'eau confinee dans les nanotubes de carbone individuels monofeuillets Bien que l'eau soit une des matières les plus répandues à la surface de la terre et directement impliquée dans un grand nombre de phénomènes, qu'ils soient naturels ou artificiels ; et bien que sa molécule ne soit constituée que de trois atomes, elle recèle encore de nombreux de mystères. Toutes ses propriétés physiques et chimiques ne sont pas encore bien comprises, notamment lorsqu’elle se trouve confinée dans des espaces nanométriques. Elle fait donc toujours l'objet d'études fondamentales approfondies. Cependant, les nombreuses difficultés techniques rencontrées lorsque l’on veut travailler à l’échelle nanométrique font qu’aujourd’hui, l’essentiel des études publiées sont théoriques et non expérimentales. Le besoin d’obtenir des données expérimentales est indispensable.C’est dans ce contexte très général que s’inscrivent les recherches expérimentales rapportées dans cette thèse. Les travaux menés sont séparables en deux parties distinctes mais qui visent à apporter, de façons différentes, leur contribution à l’étude de l’eau en milieu confiné. La première partie consiste en la mise au point d’un protocole expérimental destiné à fabriquer des microsystèmes étanches à l’eau liquide, à des pressions partielles de vapeur d’eau ou à du vide. La fabrication de ces microsystèmes repose sur les techniques de microlithographie et sur l’utilisation de la résine SU-8. Nous montrons qu’il est possible de réaliser des microsystèmes imperméables à l’eau et étanches au vide dont les parois de SU-8 ne sont pas plus épaisses que 100µm et hautes de 30µm. Le protocole proposé s’avère donc tout à fait adapté à la réalisation de Lab-on-Chip/microplateformes de nanofluidique dédiées à l’étude de l’eau confinée et circulant dans un nanopore. La deuxième partie rapporte toute une étude sur l’impact de l’eau sur le comportement électrique de µ-transistors à effet de champ dont le canal est constitué d’un unique nanotube de carbone (CNTFET). La réalisation de cette étude à nécessiter de concevoir puis fabriquer par des techniques relevant de la microélectronique un µ- constitué de plusieurs microélectrodes au contact d’un seul nanotube ; ces électrodes permettant soit d’effectuer des mesures électriques soit par effet joule, d’ouvrir le nanotube à des endroits bien précis ou de le porter à des températures suffisamment élevées pour éliminer toute trace d’eau de son environnement. La réponse électrique du CNTFET en fonction de l’environnement autour du nanotube, i.e. eau liquide, air ambiant, vide, est analysée. Une comparaison est faite entre les réponses obtenues lorsque le nanotube est fermé ou ouvert. Il est ainsi possible de proposer un modèle qualitatif simplifié d’interaction avec l’eau et de distinguer l’impact créé par l’eau adsorbée à l’extérieur du tube de celui associé à l’eau confiné dans le tube. Ce travail pionnier ouvre de nombreuses perspectives dans les domaines de la nanofluidique de l’eau et des études fondamentales sur sa structure et la dynamique de ses molécules en milieu confiné. En tout premier lieu, il servira au développement d'une µ-plateforme de mesures fondés sur les caractéristiques électromécaniques d'un nanotube de carbone unique en présence d'eau solide, liquide ou vapeur.