Les nanotubes : des tuyaux dans lesquels l’eau coule sans frotter

15 mars 2011


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Des expériences récentes suggèrent que l’eau s’écoule bien plus vite que prévu dans les tuyaux de diamètre nanométrique que sont les nanotubes de carbone. Avec une analyse théorique de ce phénomène et des simulations de dynamique moléculaire, une équipe de physiciens du laboratoire de physique de la matière condensée et nanostructures - LPMCN (Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS) vient d’apporter un éclairage nouveau sur ce sujet, actuellement très débattu dans la communauté scientifique.
Ces travaux, publiés dans la revue Nano Letters, confirment la réduction du frottement de l’eau à l’intérieur des nanotubes, et cela d’autant plus que leur diamètre est petit. L’enjeu de ces travaux est très important. En effet, en raison de leur spécificité, les membranes à nanotubes présentent un intérêt considérable en termes d’applications telles que la désalinisation par osmose inverse, l’ultrafiltration ou la conversion d’énergie dans les piles à combustible.

L’écoulement d’eau au voisinage d’une paroi dépend de nombreux paramètres, et notamment des effets de confinement, dus au faible espace disponible dans un nanotube, et des effets associés à la courbure plus ou moins importante des parois. Pour démêler ces effets, les physiciens ont étudié le frottement à l’interface entre de l’eau et une surface graphitique dans diverses configurations géométriques : entre deux plans de graphène, à l’intérieur de nanotubes de carbone de différents diamètres et à l’extérieur de ces mêmes tubes. La simulation informatique du comportement de quelques milliers de molécules d’eau (de 800 à 15.000) dans un volume de 25 à 500 nanometres³ (l’unité pertinente la plus proche étant le zepto-litre = 10^-21 litre) a ensuite permis de déterminer la viscosité de l’eau et le coefficient de frottement entre l’eau et la surface.
La première conclusion est que la réduction du frottement est due à une sorte d’incommensurabilité entre la structure de l’eau et la période du graphite. Les physiciens ont en outre montré le rôle crucial de la courbure des surfaces. Le frottement de l’eau entre deux plans de graphène ne dépend pas de leur espacement. En revanche ce frottement augmente lorsque l’écoulement a lieu en dehors d’un nanotube et diminue lorsque l’eau est à l’intérieur, et cela d’autant plus que le diamètre est petit. Un résultat remarquable est que l’eau coule sans frotter à l’intérieur des plus petits nanotubes étudiés. Ces travaux donnent ainsi une assise théorique solide à ce comportement tout-à-fait nouveau.

a). b). nanofluidics_h150px

c). d). Simulation numérique de l’écoulement de molécules d’eau dans des nanotubes de carbone en configuration fauteuil a) ou zigzag b), à l’extérieur de nanotubes zigzag c) et entre deux feuilles de graphène d).

En savoir plus

Molecular Origin of Fast Water Transport in Carbon Nanotube Membranes : Superlubricity versus Curvature Dependent Friction, Kerstin Falk, Felix Sedlmeier, Laurent Joly, Roland R. Netz et Lydéric Bocquet, Nano Letters, 10, 4067 (2010)