| Nanostructuring of binary liquids and water by confinement in periodic mesoporous organosilicates (Nanostructuration de liquides binaires et d’eau par confinement dans des organosilicates périodiques mésoporeux) Jani, Aîcha - (2021-12-06) / Universite de Rennes 1 Nanostructuring of binary liquids and water by confinement in periodic mesoporous organosilicates
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Langue : Anglais Directeur(s) de thèse: Morineau, Denis Discipline : Physique Laboratoire : Institut de Physique de Rennes Ecole Doctorale : Matière, Molécules et Matériaux Classification : Physique Mots-clés : confinement, liquides binaires, Dynamique de l'eau, nanostructuration, organosilicates périodiques mésoporeux
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Résumé : Inspirés par des études récentes qui reliaient la structure cœur-coquille induite par confinement à l'interaction liquide-surface, nous avons cherché à modifier/contrôler les propriétés physiques (en particulier la dynamique et la structure) par modulation de ces interactions en utilisant des nanopores hybrides dont la chimie de surface est modulée d’une manière contrôlée. Nous avons étudié, alors, la dynamique de l'eau liquide confinée dans des organosilices mésoporeux périodiques (PMOs) et de la silice mésoporeuse (MCM-41) par des expériences de diffusion quasi-élastiques incohérentes de neutrons (QENS). Nous avons démontré que la force de l'interaction interfaciale contrôle la dynamique lente, que nous avons attribuée à la diffusion translationnelle des molécules interfaciales, tandis que la dynamique de l'eau au centre des pores n’est pas trop affectée par ces interactions. Nous avons également étudié la dynamique du mélange tert-butanol et toluène confiné dans du divinylbenzene (DVB)-PMO par QENS. Par cette technique nous avons réussi à décrire la géométrie de trajectoire des différents mouvements effectués par les deux molécules (tert-butanol et toluène) à différentes conditions (variation de concentration et/ou de température, sous confinement ou en bulk). La méthode de sorption de vapeur nous a permis de quantifier les interactions surface/molécule et investiguer l'effet de la nature de la surface sur l'affinité thermodynamique des molécules adsorbées. Également, on a pu montrer que la nanostructuration du mélange dans le DVB-PMO est différente de la structure cœur-coquille. Des expériences de diffusion de neutrons aux petits angles SANS nous ont permis de mieux identifier sa nature et de proposer un modèle alternatif cohérent avec l’expérience. Abstract : Inspired by recent studies that related the surface-induced nanosegregation (core−shell structure) to liquid-surface interaction, we aimed to modify/control physical properties (in particular dynamics and structure) through nanoscale control of surface interactions by using PMOs system with a hybrid surface with a controlled hydrophobic/hydrophilic modulated unit. Hence, we have investigated the dynamics of liquid water confined in periodic mesoporous organosilicas (PMOs) and mesostructured porous silica (MCM-41) by incoherent quasielastic neutron scattering experiments (QENS). Importantly, we demonstrated that the strength of the water/surface interaction determines the long-time tail of the dynamics, which we attributed to the translational diffusion of interfacial molecules, while the water dynamics in the pore center is barely affected by the interface hydrophilicity. We have, also, investigated the dynamics of tert-butanol and toluene mixture confined in divinylbenzene (DVB)-PMO by QENS experiments. We succeeded in describing the spatial trajectory of the different motions performed by both molecules (tert-butanol and toluene) with a fairly good agreement with experimental data in various mixtures concentration and temperature range under confinement and in bulk state. The vapor sorption method allowed us to quantify the interactions of the DVB-PMO matrix with TBA and TOL molecules and to show the effect of surface chemistry on the thermodynamic affinity to adsorbed molecules by comparing DVB-PMO results with those obtained with MCM-41. Importantly, we showed that mixture nanostructuring in DVB-PMO is different of the core-shell model. Small angle neutron scattering experiments allowed us to better understand the structuring of TBA and TOL molecules into the DVB-PMO pore cavity and to propose an alternative model, which showed a high consistence with experimental result. | |||