Structure et connectivité de molécules d’eau aux interfaces de systèmesnanoconfinants

La compréhension des mécanismes d’absorption de l’eau, ainsi que l’arrangement moléculaire adopté par le réseau de molécules d’eau lors du confinement à l’échelle nanométrique, est crucial que ce soit pour l’optimisation de plusieurs applications, telles que la production d’énergie propre, la purification et le dessalement de l’eau, ou pour élucider certains processus complexes qui ont lieu dans les systèmes biologiques. Dans le cadre de cette thèse, l’hydratation contrôlée de trois systèmes poreux modèles suivie par spectroscopie infrarouge montre les effets de la nature des surfaces et des limitations stériques qui, en altérant les liaisons hydrogène établies entre les molécules d’eau, déclenche la formation de réseaux atypiques. La brillance de la source de rayonnement synchrotron infrarouge, exploitée par la ligne de lumière AILES au sein du synchrotron SOLEIL, a permis l’étude d’échantillons très absorbants en permettant de mettre en évidence la faible contribution de monocouches de molécules d’eau voire même de chaînes linéaires. L'effet d'une surface hydrophile sur la structure, la densité et la dynamique des molécules d'eau à l'interface a été étudié en mesurant l’absorbance d’une lamelle de Vycor poreux (pores d’environ 5 nm) à l’équilibre avec une pression de vapeur d'eau donnant lieu à la formation d’un réseau d’eau bi-dimensionnel. Les interactions fortes entre l’eau interfaciale et la surface hydrophile provoquent plusieurs transitions structurales du réseau d’eau expliquant ainsi les observations par d’autres techniques. Des similitudes et des différences surprenantes ont été observés entre l’hydratation d’une surface hydrophile et celle d’un système hydrophobe dans des conditions de confinement extrême : les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNTs) ayant un diamètre de quelques Angstrom. Nos mesures ont montré que l’établissement d’un réseau de molécules d’eau unique peut être à l’origine du déplacement rapide des molécules d’eau à l’intérieur des nanotubes de carbone. Enfin, l’étude des mécanismes d’adsorption de la membrane Nafion, membrane modèle dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFCs), a permis de clarifier les processus en jeu lors de l’ionisation et la formation d’espèces protonique responsable de la remarquable conductivité ionique propre à cette famille de membranes.Cette méthodologie pourra être étendue à des systèmes plus complexes, tels que les réseaux de molécules d’eau dans les systèmes biologiques.Understanding the water absorption mechanisms, and the molecular arrangement adopted by the water molecules upon confinement at the nanoscale is crucial both for technological applications, such as clean energy production, purification and desalination of water, and to unveil some of the complex processes occurring in biological systems.In this thesis, the controlled hydration of three porous model systems monitored by infrared spectroscopy shows the effects of surfaces forces and steric limitations that triggers the formation atypical networks by altering the hydrogen bonds established between water molecules. The brightness of the infrared synchrotron radiation source on the AILES beamline at synchrotron SOLEIL allowed to highlight the low contribution coming from water molecules arranged as monolayer or linear chains in highly infrared absorbent matrices. The effect of a hydrophilic surface on structure, density and dynamic of water molecules at interfaces was examined by measuring the absorbance of a porous Vycor slab (pores of about 5 nm) at equilibrium with the water vapor pressure needed to obtain a two-dimensional water network. The strong interfacial interactions between water and the hydrophilic surface cause several structural transitions on the water network elucidating the observations made by other techniques. Surprising similarities and differences are observed between the hydration of a hydrophilic surface and that of a hydrophobic system under extreme confinement: single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) having a diameter of several Angstroms. Our measurements have shown that the arrangement of a peculiar water network may be the origin of the enhanced water flux in carbon nanotubes. Finally, the study of the adsorption mechanisms of the Nafion membrane, the benchmark electrolyte in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), has shed new light on the processes involved in the ionization and the formation of protonic species, accountable for the remarkable ionic conductivity typical of these membranes.This approach may be also extended to more complex systems, such as water molecules networks in biological systems