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Innovation technologique Liliane Bettencourt (2022-2023) - Lydéric Bocquet

Collège de France

Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : New Approaches in Nanofluidics: Carbon Nanotubes Mechanical Resonators

I will present our work in the direction of combining mechanical resonator and nanofluidic channel with a carbon nanotube.

First, I will discuss how mechanical resonators will allow to answer, experimentally, open questions in the nanofluidic community about the structure of water, the phase diagram and the mechanism behind the fast flow observed in carbon nanotube. Second, I will show that SU8 microfluidic allows to combine antagonist worlds of fluidics (ambient pressure) and mechanics (secondary vacuum). Such devices can sustain large water pressure up to 5 bars and do not degrade over time. Porosity of SU8 is equal or better to PDMS, the standard in fluidics. Moving to carbon nanotube nanomechanical resonators, I will show that they exhibit exquisite mass sensitivity down to 70 yg, even at room temperature. This feature is observed in several devices, making it a reliable asset. I will discuss the limitations to the sensitivity in terms of thermomechanical noise, frequency fluctuations, etc.

Finally, I will demonstrate that electrons in carbon nanotubes can distinguish water adsorbed on the surface of the nanotube from water confined inside the nanotube.

Again, this feature is reproducible in several devices and independent of the metallicity of the nanotube.

Adrien Noury

Adrien Noury received his PhD in Physics (Photonics and Material Sciences) in 2014 from Univ. Paris Sud, on carbon nanotubes hybrid photonics. He then joined the group of Adrian Bachtold in ICFO Barcelona to work on quantum electromechanics with graphene drums, and later Helium superfluids on nanotube mechanical resonator. Since 2017 he is CNRS researcher in L2C, Montpellier, where he started and led the Nanomechanics group. His research focuses on harnessing the exceptional sensitivity of nanotube mechanical resonators in order to adress challenging questions in Physics.

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Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Nanofluidics: Exploring New Frontiers

In this talk, I will introduce a novel method based on liquid-activated quantum emission from native hBN defects for nanofluidic sensing. Liquids confined down to the atomic scale can show radically new properties. However, only indirect and ensemble measurements operate in such extreme confinement, calling for novel optical approaches enabling direct imaging at the molecular level. Using our method, we harness quantum emission originating from native defects in hexagonal boron nitride (hBN) for molecular imaging and sensing in nanometrically confined liquids. We show that defect activation occurs through chemisorption of organic solvent molecules, revealing single-molecule dynamics at the interface through spatially correlated activation of neighboring defects. Defect emission spectra further offer a direct readout of local dielectric properties, unveiling increasing dielectric order under nanometer-scale confinement. Liquid-activated native hBN defects bridge the gap between solid-state nanophotonics and nanofluidics, opening new avenues for nanoscale sensing and optofluidics.

Liquid-activated quantum emission from native hBN defects for nanofluidic sensing

Ronceray N., You Y., Glushkov E., Lihter M., Rehl B., Chen T-H., Nam G-H., Watanabe K., Taniguchi T., Roke S., Keerthi A., Comtet J., Radha B. et Radenovic A., Liquid-activated quantum emission from native hBN defects for nanofluidic sensing, 2022.

Aleksandra Radenovic

Prof. Aleksandra Radenovic is a full professor of biological engineering at the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) She serves as the Head of the Laboratory of Nanoscale Biology and is a renowned expert in the field of single-molecule biophysics. Professor Radenovic received her Ph.D. in Biophysics from the University of Lausanne (Switzerland) in 2003, following her attainment of a Msc. in Physics from the University of Zagreb (Croatia) in 2000. The research conducted by her laboratory has received numerous prestigious grants and awards, including the European Research Council (ERC) Starting Grant in 2010, the SNF Backup scheme Consolidator Grant in 2015, the CCMX materials challenge award in 2016, and the Advanced ERC grant in 2020. Her research interests focus on nanofluidics and developing techniques and methodologies that utilize optical imaging, nanopore sensing, and single-molecule manipulation to study the behavior of individual biological molecules and complexes. These studies are conducted both in vitro and within living cells, providing insights into the underlying mechanisms of cellular processes.

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Année 2022-2023

08 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Nexus eau/énergie et innovations nanofluidiques (II) : l'énergie osmotique

Dans le contexte du changement climatique global, le développement de nouvelles solutions d'énergies renouvelables est un enjeu de première importance. Une piste est cependant restée jusqu'ici relativement inexploitée : l'énergie osmotique. Celle-ci est extraite par exemple des différences de salinité entre l'eau de mer et l'eau de rivière. Il s'agit littéralement de convertir en électricité l'entropie de mélange associée à la dilution du sel.

Renouvelable et non intermittente, elle serait utilisable dans de nombreux endroits à travers le monde et produirait jusqu'à l'équivalent en puissance de 1 000 à 2 000 réacteurs nucléaires. Mais l'efficacité des dispositifs reposant sur le phénomène d'osmose est jusqu'à présent plutôt médiocre, ce qui a considérablement entravé le développement de cette source d'énergie, malgré ses multiples avantages.

Dans ce cours, nous discuterons des différentes technologies existantes pour assurer la conversion énergétique : la PRO (pressure-retarded osmosis) et la RED (reverse electro-dialyse), deux approches basées sur les phénomènes osmotiques. Nous détaillerons également des limitations des performances liées à la mise à l'échelle de ces technologies.

Au-delà de ces approches, il y a actuellement une véritable effervescence autour de ces sujets de par le monde. De multiples pistes de recherche sont explorées, notamment en termes de nouveaux nanomatériaux pour les membranes : à base de carbone, graphène oxydé, de bore-azote, de soie, d'oxyde de titane, etc., Diverses approches sont également suivies pour la conversion ionique-électronique, par effet redox ou effets capacitifs. Dans ce contexte, les effets nanofluidiques permettent d'ouvrir des voies différentes, basées sur l'utilisation de formes alternatives pour le transport osmotique, notamment la diffusio-osmose.

Le domaine s'inscrit désormais dans une dynamique qui n'est pas sans rappeler les années exploratoires des matériaux pour les batteries.

Globalement, ces nouvelles voies permettent de revoir le cahier des charges des technologies pour leur mise à l'échelle. C'est un point clef, et cela a donné une nouvelle impulsion à la piste de l'énergie osmotique, qui est désormais exploitée par des start-up qui visent l'industrialisation.

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Année 2022-2023

Séminaire - Damien Voiry : Nanofluidique dans les membranes à base de matériaux bidimensionnels

Avec le changement climatique et la croissance démographique, la sécurisation des ressources en eau est devenue l'un des plus grands défis des prochaines décennies. Pour répondre à la demande croissante, l'eau doit désormais être récupérée et purifiée. Dans ce contexte, le développement de membranes présentant une sélectivité et un taux de perméation plus élevés devrait réduire l'empreinte énergétique de la récupération et du dessalement de l'eau, et aurait un impact sociétal et industriel important. Les matériaux bidimensionnels (2D), avec une épaisseur atomique et de grandes dimensions latérales, peuvent être considérés comme des membranes ultimes, mais leur utilisation comme membranes monocouches reste limitée. Grâce à l'espace obtenu entre les couches, les membranes nanolaminées constituées de nanofeuilles réempilées pourraient théoriquement conduire à de meilleures performances de séparation. Au cours de mon exposé, je présenterai l'état de l'art dans le domaine des membranes à base de matériaux 2D et j'introduirai les concepts fondamentaux associés. Je décrirai ensuite mes recherches qui visent à utiliser des matériaux 2D comme blocs élémentaires pour la préparation de membranes. En particulier, nous examinerons le rôle de la chimie de surface des nanofeuillets et des défauts d'empilement sur les propriétés des membranes.

Damien Voiry a obtenu son doctorat en chimie-physique en 2010, à l'université de Bordeaux. Il a ensuite passé cinq ans à l'université Rutgers, au New-Jersey, en tant que chercheur postdoctoral travaillant sur les matériaux exfoliés 2D. Depuis 2016, il est chercheur CNRS à l'Institut européen des membranes (IEM, UMR5635), à Montpellier. Damien Voiry a reçu la médaille de bronze du CNRS en 2020 et a été nommé à la Young Academy of Europe en 2020. Ses recherches portent sur l'ingénierie des matériaux de basse dimensionnalité pour le développement de nouvelles membranes et la conversion d'énergie.

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Année 2022-2023

07 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Nexus eau/énergie et innovations nanofluidiques (I) : nouveaux matériaux membranaires et filtrations non conventionnelles

La séparation membranaire est au cœur des technologies de remédiation et de purification de l'eau et des fluides en général. Les membranes sont généralement constituées de matériaux polymériques qui réalisent la séparation par effet stérique ou électrostatique. La vision sous-jacente est donc essentiellement celle du tamisage moléculaire, conduisant à des paradigmes tels que le compromis sélectivité-perméabilité, qui limitent l'efficacité des processus de filtration.

Dans ce cours, nous montrerons comment les résultats fondamentaux de la nanofluidique et les phénomènes émergents permettent d'envisager des solutions et technologies nouvelles qui permettent d'aller au-delà des approches conventionnelles.

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Séminaire - Pascale Launois : Structuration, diffusion et dynamique de l'eau nanoconfinée

Explorer le transport des fluides à l'échelle nanométrique a nécessité le développement de dispositifs expérimentaux originaux, qui permettent de mesurer un flux au travers d'un nano-canal individuel. À l'opposé de cette approche « nano », les approches « macroscopiques », c'est-à-dire les études des propriétés des fluides nano-confinés sur des milliards de milliards de nano-canaux, apportent des informations complémentaires.

Les objets d'étude sont les nanotubes d'imogolite, de stœchiométrie SiAl2O7H4. Ces nanotubes d'argile présents dans les sols peuvent également être synthétisés par chimie douce. Le couplage de simulations de dynamique moléculaire avec deux approches expérimentales « macroscopiques », la diffusion des rayons X et la diffusion quasi élastique des neutrons donne accès à la structuration de l'eau dans les nanotubes ainsi qu'à son coefficient de diffusion. Deux sortes d'eau sont mises en évidence dans les nanocanaux, l'une diffuse le long de l'axe du nanotube et l'autre, qui présente une structuration originale, ne diffuse pas selon cet axe. Une mesure de flux sur un nanotube individuel aurait sondé seulement l'eau mobile centrale. D'autres résultats d'expériences « macroscopiques », sur la dynamique très particulière de l'eau dans les nanotubes de carbone, seront finalement discutés.

Pascale Launois, directrice de recherche au CNRS, réalise au Laboratoire de physique des solides d'Orsay des recherches de physique fondamentale dans les domaines de la nanofluidique ou du stockage de l'hydrogène. Elle aborde le domaine nano sous l'angle macroscopique, avec l'étude statistique d'un grand nombre de nano-objets. Les méthodes expérimentales utilisées sont principalement la diffusion des rayons X et la diffusion quasi élastique et inélastique des neutrons. Elles sont couplées à des simulations, indispensables pour extraire des paramètres physiques des expériences. Ces études sont extrêmement complémentaires aux études réalisées par d'autres équipes à l'échelle du nano-objet unique.

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06 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Osmose et forces entropiques : fondamentaux et applications

Ce cours sera l'occasion d'explorer un des phénomènes de transport les plus élémentaires et en même temps l'un des plus subtils : l'osmose. Le phénomène d'osmose est usuellement associé à la notion de pression osmotique, telle que décrite par van 't Hoff. Nous reviendrons d'abord sur la nature moléculaire du phénomène d'osmose, notamment du point de vue mécanique.

Nous l'illustrerons sur l'exemple du fonctionnement du rein, qui agit comme un échangeur osmotique. Nous discuterons ses performances impressionnantes en termes de séparation et de coût énergétique.

Puis nous explorerons divers processus osmotiques au-delà de van 't Hoff : tout d'abord la diffusio-osmose, qui est un processus épi-osmotique qui se déroule aux interfaces ; puis les diodes osmotiques ; et enfin un phénomène de résonance osmotique, lorsque les interactions au sein du nanopore sont excitées sous un forçage extérieur.

À titre d'illustration, nous discuterons d'expériences récentes montrant comment ces processus osmotiques permettent de concevoir artificiellement des moteurs moléculaires mimant la turbine protonique.

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Année 2022-2023

Séminaire - Miguel Aubouy : L'innovation comme science

Dans ce séminaire, nous proposerons un changement de paradigme pour la recherche en innovation. Jusqu'à présent, l'innovation était un instrument au service d'une science. Il n'était pas une science à part entière. On enseigne l'innovation pour les affaires ou l'innovation pour l'ingénierie, par exemple. On n'enseigne jamais l'innovation indépendamment du domaine particulier où l'on cherche à l'appliquer. Le changement de paradigme que nous évoquons revient à concevoir l'innovation comme une science à part entière, dont la technologie, les affaires, les sciences de la nature ou l'art sont autant de cas d'application possibles, sans que cette liste soit limitative.

En particulier, dans cette intervention, nous montrerons trois principes d'universalité.

Premièrement, la structure du processus d'innovation est universelle. Deuxièmement, à chaque étape, les caractéristiques de ce que l'on cherche sont universelles, elles aussi. Troisièmement, les moteurs responsables de la progression sont universels, eux aussi.

Ces trois résultats se combinant aboutissent à cette conclusion paradoxale : on peut décrire non seulement ce que les personnes innovatrices cherchent, mais aussi la manière dont elles le cherchent, à chaque étape de leur cheminement, indépendamment du domaine particulier où elles agissent. Cette conclusion, bien sûr, admet des conséquences pratiques considérables dans chacun des champs disciplinaires considérés.

Miguel Aubouy

Miguel Aubouy est né en 1969. Il a eu une première vie professionnelle consacrée à la recherche en physique fondamentale, une deuxième vie consacrée à l'invention technologique. Enfin une troisième vie dédiée à l'entrepreneuriat. Pendant tout ce temps, il était aussi artiste.

Depuis 2014, Miguel Aubouy vit au Canada. Ses recherches portent sur les quatre cercles de l'innovation : l'entrepreneuriat, la découverte scientifique, l'invention technique et la création artistique. « Qu'y a-t-il à l'intersection de ces cercles, c'est ce que j'aimerais éclairer. Depuis tant de temps nous fabriquons des objets qui nous ressemblent, et ils continuent de nous échapper. »

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Année 2022-2023

05 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Appariement ionique, effet Wien, transition de Kosterliz-Thouless et effets neuromorphiques : vers l'iontronique

Dans ce cours, nous explorerons la physique de l'appariement de Bjerrum et ses différentes conséquences sur le transport ionique hors de l'équilibre et le développement de fonctionnalités neuromorphiques.

Sous l'effet de l'interaction électrostatique, les ions de signes opposés peuvent former des paires, dites paires de Bjerrum. La physique de cet appariement est extrêmement riche. La formation et la nature des paires de Bjerrum dépendent crucialement de la dimension et du confinement. Le cas bidimensionnel est très particulier de ce point de vue, car la nature des interactions électrostatiques induit une transition isolant-conducteur de type Kosterlitz-Thouless. L'appariement a alors des conséquences drastiques sur le transport hors équilibre sous l'action d'un champ électrique : au-delà d'un champ seuil, les paires peuvent se casser et devenir conductrices. C'est le phénomène de Wien, initialement discuté par Onsager dans les électrolytes faibles. Dans le transport sous champ électrique au travers de nanopores, ce phénomène induit des signatures de type « voltage-gated » qui ont été mises en évidence dans divers systèmes expérimentaux.

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Année 2022-2023

Séminaire - Patrice Simon : Transport ionique en milieu confiné : application au stockage électrochimique de l'énergie

Intervenant(s)

Patrice Simon, professeur, université Toulouse-III-Paul-Sabatier

Le stockage électrochimique de l'énergie (batteries, supercondensateurs), porté principalement par le développement de la mobilité électrique, est devenu aujourd'hui un enjeu sociétal et économique majeur (diminution de la dépendance aux énergies fossiles et lutte contre l'émission de CO2). Les réactions dans les électrodes de systèmes de stockage électrochimique de l'énergie mettent en jeu des transferts ioniques et électroniques à l'interface solide/électrolyte dans des électrodes poreuses. Les performances de ces électrodes dépendent des cinétiques de transport et de transfert des espèces dans les matériaux dits actifs électrochimiquement. Dans cet exposé, nous montrerons comment il est possible de mesurer les flux ioniques et électroniques dans ces électrodes grâce à des techniques électrochimiques avancées. Nous verrons que le confinement de l'électrolyte dans des canaux nanométriques et subnanométriques conduit à la modification de leur solvatation, entraînant des propriétés remarquables pour le stockage électrochimique de l'énergie.

Patrice Simon est professeur en sciences des matériaux à l'université Toulouse-III-Paul-Sabatier. Il est directeur adjoint du réseau français sur le stockage électrochimique de l'énergie et pilote pour le CNRS du PEPR Batteries, un programme national lancé en janvier 2023. Ses activités de recherche portent sur la compréhension fondamentale des processus électrochimiques se produisant aux interfaces matériau/électrolyte dans les électrodes de dispositifs de stockage d'énergie électrochimique (batteries, supercondensateurs). Patrice Simon est membre de l'Académie des sciences depuis 2019.

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Année 2022-2023

04 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Transport ionique, du tamisage moléculaire au blocage de Coulomb

Le mouvement des ions au travers de nanopores, ou de membranes nanoporeuses, est le processus élémentaire qui se retrouve au cœur de la plupart des questions du transport dans les membranes biologiques, ou encore dans les technologies de séparation, dessalement, ou d'énergie osmotique. Le problème est a priori simple en termes d'ingrédients, mais l'interaction électrostatique est d'une complexité considérable, car elle induit un foisonnement de phénomènes de couplages associés à des énergies et échelles spatiales variées : longueurs de Bjerrum, de Debye, de Dukhin, de Gouy-Chapmann. Les interactions sont aussi modifiées considérablement par le confinement, voire par les propriétés électroniques du matériau confinant. L'entrée même des ions dans les pores reste un phénomène complexe qui implique des effets diélectriques, électrostatiques (de Donnan), voire quantiques.

Nous brosserons un panorama de ces mécanismes qui jouent un rôle clef dans les processus de sélectivité ionique, ainsi que le transport diffusif et sous champ (électrique ou autre).

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Année 2022-2023

Séminaire - Benoit Coasne : Adsorption et transport de fluides dans des matériaux nanoporeux

De par leur porosité nanométrique et leur grande surface spécifique, les matériaux nanoporeux sont au cœur de recherches fondamentales visant à étudier le rôle du nanoconfinement et des forces de surface sur la thermodynamique et la dynamique des fluides. Par ailleurs, mettant à profit ces propriétés dans des procédés technologiques, cette classe de solides est également centrale pour des secteurs clés de l'industrie : adsorption (e.g. détection, chromatographie), énergie (stockage de l'hydrogène, piles à combustible, batteries), environnement (séparation de phase, traitement des eaux, stockage de déchets nucléaires), etc. Parmi les matériaux nanoporeux [~1–100 nm], les solides dont les pores sont inférieurs en taille au nanomètre (e.g. charbons actifs, zéolithes) sont particulièrement intéressants, car le confinement extrême au sein de leur porosité conduit à des phénomènes d'adsorption et de transport inédits.

Dans cet exposé, nous illustrerons comment les approches reposant sur la physique statistique – dont les outils de la simulation moléculaire – permettent de développer des modèles simples de l'adsorption et du transport dans ces matériaux ultraconfinants. En particulier, nous verrons comment un modèle thermodynamique simple permet de rationaliser le confinement en considérant une capillarité réminiscente à des échelles de longueur infiniment petites. Ensuite, nous montrerons comment le transport dans les milieux nanoporeux peut être décrit sans avoir à invoquer des concepts macroscopiques dont la validité à ces échelles reste discutable. En particulier, en utilisant des paramètres et coefficients obtenus à partir d'expériences simples, nous verrons comment le transport, dans des conditions de confinement aussi sévères, peut être décrit en utilisant des modèles tels que le mouvement brownien intermittent ou le modèle du rétrécissement de De Gennes.

Benoit Coasne

Benoît Coasne a obtenu son doctorat en physique sur la condensation capillaire dans les matériaux nanoporeux (Paris, 2003). Il a ensuite travaillé de 2003 à 2005 en tant que postdoc avec le Pr Keith Gubbins sur la solidification de systèmes nanoconfinés (Raleigh, NC, USA). Benoit Coasne a ensuite été recruté chercheur CNRS à Montpellier (2005) et promu directeur de recherche CNRS (2015). Pendant un séjour de trois ans, il a dirigé un groupe de recherche fondamentale sur la modélisation multi-échelles de l'adsorption et du transport dans le Laboratoire CNRS/MIT au MIT, à Boston (2012/15). Il est actuellement directeur de recherche CNRS affilié au Laboratoire de physique interdisciplinaire à Grenoble, en France. Benoit Coasne a été cofondateur et premier président de la Société française d'adsorption. Les recherches de Benoit Coasne consistent à étudier par les outils de mécanique statistique et de simulation moléculaire la thermodynamique et la dynamique des fluides et des solides confinés dans des milieux nanoporeux.

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Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Soft Nanofluidics

I will present some recent results on controlled experiments probing fluidic transport at the nanoscale. In particular, I will show how we use alternative routes to

molecular confinement, which circumvents demanding nanofabrication steps, partially releases material constraints, and offers continuously tunable molecular confinements. These soft-matter-inspired approaches use wetting film that spontaneously condenses on a substrate or soap films that are intrinsically nanometric as versatile and tunable nanofluidic channels.

Anne-Laure Biance

Depuis 2006 : Chargée de recherche puis directrice de recherche au CNRS.

2004 : Thèse de l'université Paris 6 sous la direction de D. Quéré, réalisé au LPMC, Collège de France.

2013 : HDR, Université Lyon 1.

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Année 2022-2023

03 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Fluctuations aux nanoéchelles : transport et surfaces fluctuantes

Comme l'avait fait remarquer Feynman, « Everything that living things do can be understood in terms of the jigglings and wigglings of atoms ». Aux échelles nanométriques les fluctuations deviennent prédominantes. Comme affectent-elles le transport, peut-on en tirer bénéfice par exemple pour des fonctions de tamisage ? Ce cours explorera comment les fluctuations modifient le transport nanofluidique, sous différents points de vue. Cela nous amènera à introduire divers outils théoriques qui nous permettront d'évaluer l'impact des fluctuations thermiques sur le transport de fluide. Mais nous aborderons également comment les fluctuations des parois elles-mêmes peuvent modifier la diffusion en leur sein et les écoulements. Nous étudierons enfin comment les fluctuations de la taille des pores peuvent affecter le transport et le tamisage, notamment via des effets de type résonance stochastique. Ce type de mécanisme a été invoqué récemment pour expliquer des effets de séparation isotopique. Ces approches mettent en évidence une richesse insoupçonnée de comportements qui suggèrent des pistes pour tirer bénéfice des fluctuations afin de dépasser les contraintes imposées par le compromis entre sélectivité et perméabilité.

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Année 2022-2023

Séminaire - Nikita Kavokine : Quantum plumbing: where fluid dynamics meet condensed matter physics

Liquids are usually described within classical physics, whereas solids require the tools of quantum mechanics. I will show how in nanoscale systems this distinction no longer holds. At these scales, liquid flows may in fact exhibit quantum effects as they interact with electrons in the solid walls. I will first discuss the quantum friction phenomenon, where charge fluctuations in the liquid interact with electronic excitations in the solid to produce a hydrodynamic friction force. Using many-body quantum theory, we predict that this effect is particularly important for water flowing on carbon-based materials, and we obtain experimental evidence of the underlying mechanism from pump-probe terahertz spectroscopy. I will then show how the theory can be pushed one step further to describe hydrodynamic Coulomb drag – the generation of electric current by a liquid in the solid along which it flows. This phenomenon involves a subtle interplay of electrostatic and electron-phonon interactions, and suggests strategies for designing materials with low hydrodynamic friction.

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Année 2022-2023

02 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Écoulements, du glissement hydrodynamique à la friction quantique

Aux échelles nanométriques, les effets de surface deviennent évidemment prépondérants. Les effets de friction aux parois jouent un rôle clef qui impacte l'ensemble du transport, fluide, ionique… Ils prennent leur origine dans le frottement moléculaire à l'interface entre le fluide, par exemple l'eau, et la paroi confinante. Ces phénomènes ont fait l'objet d'études expérimentales très pointues, mettant en jeu une variété d'outils spécifiquement développés et qui permettent désormais d'étudier la friction au sein de nanotubes uniques ou de canaux de quelques angströms d'épaisseur. Nous discuterons ces résultats, notamment ceux dans les nanotubes de carbone qui ont suscité un débat considérable dans la littérature.

Dans ce cours, nous introduirons alors systématiquement le cadre théorique permettant de rationaliser les phénomènes de friction interfaciale, d'abord dans un formalisme classique puis quantique. En particulier, cela nous amènera à discuter des couplages qui peuvent émerger entre modes collectifs classiques de l'eau et excitations quantiques au sein du matériau confinant. Cela nous amènera à discuter les conséquences en termes de développement d'une « ingénierie quantique » des flux hydrodynamiques. Les effets du frottement sur le transport seront discutés en regard des résultats expérimentaux, notamment dans le contexte du transport électrocinétique ou des effets mécano-sensibles.

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Séminaire - Élisabeth Charlaix : Transport de fluides aux échelles nanométriques, des lois émergentes à l'innovation : Hydrodynamics of Confined Liquids

Élisabeth Charlaix, professeur de l'université Grenoble-Alpes

Résumé

Hydrodynamics at the solid interface is a fundamental property of fluids, as important as their constitutive equation, in determining their flow. Historically, experimental evidence has been decisive in identifying the hydrodynamic boundary condition at the liquid-solid interface, and more particularly the so-called no-slip boundary condition that describes very successfully the flow of simple liquids on the macroscopic scale. But the growing interest in fluidic transport at small scales and in confined geometries, from friction and lubrication to ion transport in biological channels, membranes, nano-porous media or energy storage devices, has necessitated a more detailed understanding of the hydrodynamics of liquids confined between solid surfaces. Building on pioneering nano-hydrodynamics experiments, I will show how the hydrodynamic force created by the drainage flow between two approaching surfaces provides an unprecedented tool to probe the dynamics of liquids near surfaces. I will discuss the role of surface interactions and roughness, the role of liquid viscoelasticity and of solid compliance, for the formulation of an effective or intrinsic Navier boundary condition at the solid-liquid interface.

Élisabeth Charlaix

Élisabeth Charlaix est professeur à l'université Grenoble-Alpes. Après un doctorat à l'université Pierre-et-Marie-Curie et un postdoctorat dans le centre de recherche d'Exxon Research and Engineering aux USA, elle a enseigné au département de Physique de l'École normale supérieure de Lyon, puis a créé en 1997 un groupe de recherche sur les liquides aux interfaces à l'université Claude-Bernard de Lyon. Ses recherches portent sur l'étude des phénomènes interfaciaux en combinant développements expérimentaux et approches de modélisation. Elle a développé un appareil de force dynamique de surface permettant la mesure des forces hydrodynamiques avec une grande précision.

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Année 2022-2023

01 - La mécanique moléculaire des fluides – Un champ d'innovation pour l'eau et l'énergie : Nanofluidique, la science des flots moléculaires

Depuis une dizaine d'années, la nanofluidique a fait un énorme bond en avant. Il est possible de fabriquer et d'étudier des nanocanaux dont la taille est de quelques nanomètres, voire quelques angströms. Les avancées dans les techniques de mesure permettent désormais d'explorer les propriétés thermodynamiques des fluides ultra-confinés, et de quantifier leurs propriétés de transport jusqu'aux échelles les plus petites. Ces expériences ont mis en évidence un véritable cabinet de curiosité de propriétés émergentes : nouvelles phases de l'eau, cristallisation à température ambiante, anomalies diélectriques, effets isotopiques, écoulement ultra-rapides, etc. Dans ce premier cours, nous ferons ainsi un tour d'horizon de quelques approches et des résultats importants qui ont émergé récemment.

Cela sera l'occasion d'introduire les concepts fondamentaux nécessaires à la compréhension du transport nanofluidique : depuis les limites de validité des concepts continus, en termes d'effets moléculaires ou de fluctuations, jusqu'aux différents mécanismes d'interactions – notamment électrostatiques ou diélectriques – et les échelles associées, en passant par les effets de friction hydrodynamique.

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Année 2022-2023

L'eau, l'énergie. Deux enjeux de notre monde actuel profondément interconnectés. Deux défis extraordinaires pour notre société, qui nécessitent des solutions extraordinaires. L'impact de la science fondamentale peut être déterminant dans cette lutte. Ouvrir des voies radicalement nouvelles pour alléger les contraintes dans le cheminement vers un monde qui sera nécessairement différent. Mais a-t-on encore le temps ?

La question de l'engagement face au défi environnemental se pose désormais pleinement aux scientifiques. Mais comment concilier le temps de la recherche fondamentale et celui de l'innovation technologique qui s'en inspire ? Comment sortir des laboratoires les découvertes de la science fondamentale dans un minimum de temps ?

Les scientifiques ont appris à apprivoiser cette tension entre recherche fondamentale et innovation technologique. Ils savent désormais penser leurs découvertes en termes d'innovations. Et la création de start-up constitue un outil et une courroie de transmission puissante pour sortir les découvertes des laboratoires. Engager ainsi pleinement la science pour impacter le monde.

Le domaine de la mécanique moléculaire des fluides illustre parfaitement ce dialogue possible entre une recherche amont, guidée uniquement par la curiosité et sans concession, et son application au développement de technologies de rupture. Ce champ scientifique émergent – la nanofluidique – explore comment les fluides s'écoulent aux échelles les plus petites. Ce monde de l'infiniment petit fluidique, c'est la frontière où le continuum de la mécanique des fluides rencontre la nature atomique de la matière, voire sa nature quantique. On y observe des écoulements quasiment sans frottement, des effets quantiques émergents, des comportements neuromorphiques qui permettent désormais de rêver de calculateurs ioniques.

Ces recherches en nanofluidique dévoilent une multitude de phénomènes qui peuvent être mis à profit pour développer des innovations de rupture dans les domaines de l'eau et de l'énergie, par exemple pour le dessalement, la remédiation des eaux, ou encore l'énergie osmotique. Le chemin est court entre la science fondamentale et l'innovation de rupture en nanofluidique. Accélérer la mise à l'échelle des solutions technologiques est possible.

Autant d'atouts pour faire face aux défis planétaires.

Innovation technologique Liliane Bettencourt (2022-2023) - Lydéric Bocquet

Collège de France

Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Computer Explorations of Soft Flowing Matter

Major progress in experimental micro-nanofluidics over the last decades has spawned the opportunity to explore new states of droplet-based soft flowing matter, such as microfluidic crystals, high-density confined emulsions, bijels, as well as various types of soft granular flows. These novel states of soft matter raise fundamental challenges to non-equilibrium statistical physics mostly on account of strong nonlinear and nonlocal effects, which set their mechanical and rheological properties far apart from those of the three fundamental states of matter (solid,liquid and gas) they are made of. In this talk, I shall present selected computer simulations and machine-learning algorithms which help shedding light into these fascinating states of soft flowing matter and lay the ground for future applications in science and engineering.

Sauro Succi

Dr Succi holds a degree in Nuclear Engineering from the University of Bologna and a PhD in plasma physics from the Ecole Polytechnique Federale de Lausanne. He currently serves as Senior Research Executive and Principal Investigator at the Center for Life Nano-Neuro Sciences at la Sapienza of the Italian Institute of Technology. He is also a Research Affiliate of the Physics Department of Harvard University and a Honorary Professor at the University College London. His research activity covers a broad range of topics related to complex states of flowing matter, such as thermonuclear plasmas, fluid turbulence, micro and nanofluidics, soft matter as well as quantum and subnuclear fluids. He is best known for his contributions to the early inception, development and application of the Lattice Boltzmann method, for which he has received a number of international awards, including the APS 2017 Aneesur Rahman Prize in Computational Physics, the 2019 CECAM Berni Alder Prize for exceptional contributions to the microscopic simulation of matter. He is an elected member of Academia Europaea (2015) and in 2017 he has been awarded the ERC-AdG "Computational design of mesoscale porous materials".

Innovation technologique Liliane Bettencourt (2022-2023) - Lydéric Bocquet

Collège de France

Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Condensed Matter at Nanoscale

Scanning Probe Microscopy is a powerful tool for the investigation of the properties of confined systems. In this presentation we will discuss how soft and hard condensed matter undergo to a dramatic phase change when confined at the nanoscale and we will investigate the complex coupling between fluids and bidimensional materials.

Alessandro Siria

Alessandro Siria is a CNRS researcher and Professor at École normale supérieure. His research interests are at the interface between soft matter and nano science. Awarded with 2 European Research Council grants, he is co-founder of 4 start-up companies aiming at the industrialisation of novel nanofluidics functionaries.

Innovation technologique Liliane Bettencourt (2022-2023) - Lydéric Bocquet

Collège de France

Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Structure and Dynamics of Interfacial Water

There are few molecules, if any, more important than water. However, remarkably little is known about how it interacts with surfaces, particularly at the molecular level. In this talk I will discuss some of our recent work on the application and development of a variety of state of the art computer simulation methods to better understand the structure and dynamics of water at surfaces and under confinement. Specific topics discussed will include work carried out in collaboration with experimentalists to understand the growth and diffusion of ice clusters at metal surfaces, heterogenous ice nucleation, and water confined within 1- and 2-dimensional membranes. Methodological developments aimed at providing more accurate treatments of adsorption on and bonding within solids will also be covered, as well as an efficient machine learning strategy for simulating complex aqueous interfaces.

Angelos Michaelides

Angelos Michaelides obtained a PhD in Theoretical Chemistry in 2000 from The Queen's University of Belfast. Following this, he worked as a post-doctoral research associate and junior research fellow at the University of Cambridge and then at the Fritz Haber Institute, Berlin as an Alexander von Humboldt research fellow and subsequently research group leader. Between 2006 and 2020 he was at University College London where he was Director and Co-Director of the Thomas Young Centre: The London Centre for the Theory and Simulation of Materials and the founding Director of the Materials and Molecular Modelling Hub. Since 2020 he has been the 1968 Professor of Chemistry at the University of Cambridge.

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Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Interfacial Water Dissociation through Proton Permeable Electrodes

Graphene is completely impermeable in the perpendicular direction to its basal plane to all gases – even for helium, the smallest – at ambient conditions. In this context, it was expected that graphene would be impermeable even to protons, nuclei of hydrogen atoms. Nevertheless, we demonstrated that the transport of thermal protons through defect-free graphene is fast and can be measured experimentally. Graphene is also an excellent in-plane electron conductor. These properties allow using it as a proton permeable electrode. This talk will outline our work investigating its proton permeability and impermeability to all other ions, including recent work in which we demonstrate that defects are not necessary for its proton permeability. The talk will then cover the use of graphene as a proton permeable electrode to study proton transport, including the observation of a giant sensitivity to light. Using this well characterised system, we then explore the interfacial dissociation reaction (H2O = H+ + OH-) and discuss the observation of the Wien effect in this reaction in dark conditions and under illumination.

Marcelo Lozada-Hidalgo

Marcelo Lozada-Hidalgo is a Royal Society University Research Fellow at The University of Manchester. His research interests include ion transport in 2D systems, interfacial dissociation reactions and photo-accelerated ion transport. He has been awarded an ERC Starting Grant (2021), a University Research Fellowship by the Royal Society (2020), a Dame Kathleen Ollerenshaw Research Fellowship by the University of Manchester (2019), an Early Career Fellowship by The Leverhulme Trust (2016) and the Andre Geim scholarship for PhD studies' after winning a national competition in Mexico in 2012.

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Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Electrode/Electrolyte Interfaces: from Electronic Response to Interfacial Structure, Dynamics and Thermodynamics Using Classical Molecular Dynamics Simulations

Many key industrial processes, from electricity production, conversion, and storage to electrocatalysis or electrochemistry in general, rely on physical mechanisms occurring at the interface between a metallic electrode and an electrolyte solution, summarized by the concept of an electric double layer, with the accumulation/depletion of electrons on the metal side and of ions on the liquid side. While electrostatic interactions play an essential role in the structure, thermodynamics, dynamics, and reactivity of electrode-electrolyte interfaces, these properties also crucially depend on the nature of the ions and solvent, as well as that of the metal itself. Such interfaces pose many challenges for modeling because they are a place where quantum chemistry meets statistical physics. I will review recent advances in the description and understanding of electrode-electrolyte interfaces with classical molecular simulations, and discuss in particular how to include some features of the electronic response in such simulations and their consequences on the interfacial properties.

Benjamin Rotenberg

Benjamin Rotenberg is a CNRS senior researcher at Sorbonne University. He graduated in Chemistry from ENS in 2004 and received his Ph.D. in 2007 from Université Pierre et Marie Curie. He then joined the FOM Institute for Atomic and Molecular Physics (Amsterdam) as a postdoctoral fellow before starting at CNRS in 2008. He was a visiting professor at the Universities of Barcelona, Berkeley and Freiburg, as well as in the Helmholtz Zentrum Berlin. His research focuses on multiscale modeling of charged interfaces, in particular in the fields of energy and the environment, and he develops new methods for numerical simulations.

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Collège de France

Année 2022-2023

Colloque - La nanofluidique à la croisée des chemins : Spectroscopy of Nanoconfined and Flowing Water

Water at interfaces differs from bulk water, in both its physical structure and chemical composition. In particular, the role of the termination of the hydrogen-bonded network, the role of charges at interfaces, and the effect of surface charge on water and counterion arrangement have been intensely researched. Advanced surface-specific spectroscopies have contributed substantially to these insights. We have a reasonably good molecular-level understanding of water at interfaces. In contrast, nanoconfined water, and water flowing under non-equilibrium have been much less studied, owing to the challenge of 'seeing' a small number of water molecules under non-equilibrium.

I will show our recent results on the spectroscopy of sub-nanometer confined and flowing water. For water 2D-confined to sub-nanometer dimensions, we observe distinct layering effects. For water flowing along a graphene surface, we find experimental evidence for the recently proposed quantum friction theory.

Mischa Bonn

Prof. Dr. Mischa Bonn joined the Max Planck Society in 2011 as one of the directors of the Max Planck Institute for Polymer Research, heading the division "Molecular Spectroscopy". Mischa completed his MSc degree in physical chemistry - with highest honors - in 1993 at the University of Amsterdam (NL) and performed his PhD research (1993-1996) at the FOM-Institute for Atomic and Molecular Physics in Amsterdam. After two postdoctoral stays, at the Fritz Haber Institute (1997-1999) and at Columbia University, New York (1998-1999), he became assistant professor in 1999 at Leiden University, to receive tenure and promotion to associate professor in 2002. In 2004, he returned to the Institute for Atomic and Molecular Physics in Amsterdam as group leader. He has been an extraordinary professor at the University of Amsterdam since 2005 and an honorary professor at Mainz University since 2012. Mischa serves as Deputy Editor for The Journal of Chemical Physics, and as a member of the editorial advisory board of J. Am. Chem. Soc., amongst others. Mischa has won several prizes and awards for his work, including the Gold Medal from the Royal Dutch Chemical Society and the Van 't Hoff Award from the Deutsche Bunsengesellschaft. His scientific interests focus on the development and application of laser-based (ultrafast) spectroscopies to advance our understanding of natural phenomena, specifically at interfaces – often involving Mischa's favorite molecule: water.

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Collège de France

Année 2022-2023

Séminaire - Bruno Mottet : Énergie osmotique, du nanotube au mégawatt… Histoire d'un upscaling

Ce séminaire retracera l'histoire scientifique et entrepreneuriale de Sweetch Energy… du nanotube au Mégawatt.

Docteur ingénieur en physico-chimie, passionné de sciences, entrepreneur depuis plus de 20 ans, Bruno Mottet est cofondateur de Sweetch Energy. Sweetch Energy a pour vocation de déployer à l'échelle de la planète l'énergie osmotique, une énergie renouvelable permanente non carbonée et encore méconnue.