Nanofluidique

Le transport de matière à l’intérieur de canaux de diamètre nanométrique est marqué par l’apparition de nouveaux phénomènes (confinement, friction, interaction avec les charges de surface, exclusion stérique ou électrostatique) d’importance centrale mais qui sont encore mal compris.

Figure 1 : représentation schématique des dispositifs réalisés (a et b) ; image MEB de SWCNT synthétisés par CVD sur un substrat en quartz (c); image par microscopie optique des réservoirs créés par gravure (d) et photographie du montage avec le capot en PDMS

Notre maitrise de la synthèse CVD de nanotubes de carbone mono-feuillet et de tout un ensemble de techniques de microélectronique en salle blanche, nous permet de fabriquer des micro-dispositifs de nanofluidique intégrant un seul nanotube placé entre deux réservoirs (fig. 1).

Nous pouvons ainsi grâce à ces dispositifs uniques et par le biais de mesures électriques (courants ioniques et électroniques) étudier le transport d’eau ou d’électrolyte au sein du nanotube.

Ces travaux permettent de mieux comprendre les processus fondamentaux mis en jeu à cette échelle (fig. 2) et de participer aux développements d’application dans le domaine du traitement de l’eau, de la génération d’énergie par différentiel de pression osmotique, de la détection de molécules uniques/isolées et au-delà de tout un plan d’utilisations potentielles dans le cadre de l’ionotronique.

*Figure 2 :*
*(a) Picture illustrating the effect of the dielectric mismatch between the nanopore confined electrolyte and the medium surrounding the CNT.*

(b) Comparison of the theoretical conductivity of a slightly charged cylindrical nanopore vs. the salt concentration in the reservoirs Cb (blue: R=0.7 nm, σ=0.5 mC/m2, red: R=1.2 nm, σ=0.3 mC/m2) using the mean-field approach (dashed lines, the black dotted line corresponds to the bulk conductivity) and the approach developed in Ref. 41, which takes into account both hard core volume effects and dielectric exclusion (theoretically computed points, lines are guides for the eye), but not the Born self-energy because we have assumed that the confined and bulk electrolytes have the same dielectric constant.

The matrix (or membrane) dielectric constant is 〖ϵ(matrix)〗_ =2, much lower than the bulk water value 〖ϵ(bulk)〗_ =ϵ(pore)=78 (see Fig. 2a). Clearly these non-specific dielectric effects lead to a substantial decrease of the conductivity at intermediate reservoir salt concentrations (5 < Cb < 500 mmol/L) to values lower than in the bulk, revealing a faster descent to the low salt concentration (Good Co-ion Exclusion) plateau.

This kind of dielectric induced descent could potentially be misinterpreted as being due to surface regulation charge effects, underscoring the subtlety in disentangling the various physical and physio-chemical mechanisms at play in ionic transport through nanopores.

Chercheurs/Enseignant-Chercheurs impliqués :

HENN François (Enseignant Chercheur/permanent)

JOURDAIN Vincent (Enseignant Chercheur/permanent)

NOURY Adrien (Chercheur/permanent)

KOTOK Valeriy (Chercheur/sous contrat depuis 2022)

Thèses L2C soutenues :

Khadija Yazda, 2013-2016

Said Pashayev, 2020-2023

Références :

1) “Ultra-Low Noise Measurements of Ionic Transport Within Individual Single-Walled Carbon Nanotubes” L. Bsawmaii, C. Delacou, V. Kotok, S. Meance, K. Saada, A. Kribeche, S. Tahir, C. Roblin, M. Manghi, J. Palmeri, F. Henn, A. Noury, and V. Jourdain, Archives/Nanoscale (soumis)

2) “SU8 based microfluidic chip sealing material with high water pressure leak resistance, long-term stability, and vacuum compatibility” S. Pashayev, R. Lhermerout, C. Roblin, E. Alibert, J. Barbat, R. Desgarceaux, R. Jelinek, E. Chauveau, S. Tahir, V. Jourdain, R. Jabbarov, F. Henn, and A. Noury, Microfluidics and Nanofluidics 2024, 28, art.25

3) “Influence of the Quantum Capacitance on Electrolyte Conductivity through Carbon Nanotubes”, T. Hennequin, M. Manghi, A. Noury, F. Henn, V. Jourdain, & J. Palmeri, J. Phys. Chem. Letters 2024, 15, 2177-2183

4) “Impact of the single walled carbon nanotube functionalization on the ion and water molecules transport at the nanoscale” A. Mejri, N. Arroyo, G. Herlem, J. Palmeri, M. Manghi, F. Henn, and F. Picaud, Nanomaterials 2024, 14(1), 117

5) “Physical interactions tune the chemisorption of polar anions on carbon nanostructures” A. Hasmy, L. Rincon, A. Noury, F. Henn, and V. Jourdain, J. Phys. Chem. C 2022, 126 (31), 13349–13357

6) « Ionic Conductance of Carbon Nanotubes: Confronting Literature Data with Nanofluidic Theory » M. Manghi, J. Palmeri, F. Henn, A. Noury, F. Picaud, G. Herlem & V. Jourdain; J. Phys. Chem. C 2021, 125 (42) 22943–22950.

7) « Role of charge regulation and flow slip on the ionic conductance of nanopores: an analytical approach”, M. Manghi, J. Palmeri, K. Yazda, F. Henn and V. Jourdain, Phys. Rev. E, 98(1), 2018, 2605

8) “Voltage-activated ionic transport through single-walled carbon nanotubes” K. Yazda, Sa. Tahir, T. Michel, B. Loubet, M. Manghi, J. Bentin, F. Picaud, J. Palmeri, F. Henn, V. Jourdain, Nanoscale, 2017, 9, 11976

9) “Ionic and Molecular Transport Inside Carbon Nanotubes: Towards the Detection of Individual Biomolecules” K. Yazda, S. Tahir, T. Michel, F. Henn & V. Jourdain, Biophysical. J. 110, 2017, 503-503

Nos projets financés sur ce thème :

ANR IONESCO (2019-2023) : Couplage entre transports ionique et électronique dans des nanotubes de carbone simple paroi