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Structure et thermodynamique de l’eau confinée.



La simulation numérique permet, avec les moyens de calculs actuels, de modéliser de façon satisfaisante des systèmes moléculaires de taille nanométrique. A l’aide de potentiels intermoléculaires issus du modèle PN-TrAZ et d’algorithmes de type Monte Carlo (Grand Canonical Monte Carlo), nous avons pu modéliser les propriétés thermodynamiques de l’eau confinée dans des silices nanoporeuses (silicalite et Vycor).


L’étude des isothermes d’adsorption d’eau, un fluide polaire aux propriétés originales, sur différentes surfaces de silice, plane et mésoporeuse (figure 1) a permis de mettre en évidence les effets liés à la courbure locale. Une confrontation avec les résultats expérimentaux issus de la littérature montre un bon accord pour l’isotherme d’adsorption à basse pression et la chaleur isostérique d’adsorption à température ambiante. L’étude de la désorption fait apparaître une hystérésis, dont l’interprétation reste difficile : en effet, cette hystérésis est « creuse », c’est-à-dire qu’il est impossible d’atteindre des états à l’intérieur de la boucle, ce qui est en complète contradiction avec l’expérience. La prise en compte du désordre physico-chimique à grande distance permet de corriger ce défaut.


Le cas de l’eau confinée dans la silicalite, une zéolithe microporeuse (figure 2), est intéressant car il correspond à une situation de confinement extrême de l’eau. Nous avons montré par calculs quantiques ab initio dans l’approximation Hartree-Fock (code CRYSTAL98) que les charges partielles portées par les molécules d’eau sont affaiblies (5 à 10%) ce qui suffit à faire concorder simulation et expériences.


Ce travail, qui permet de calculer toutes les fonctions thermodynamiques de l’eau confinée (grand potentiel, énergie libre, entropie etc.) peut avoir des applications dans les nombreux domaines où l’eau et la silice nanoporeuse se rencontrent. Cela va de la géologie à l’industrie, en passant par les problèmes de dépollution.


J. Puibasset and R. J.-M. Pellenq, J. Chem. Phys. 118, 5613 (2003).
J. Puibasset and R. J.-M. Pellenq, J. Chem. Phys. 119, 9226 (2003).
J. Puibasset and R. J.-M. Pellenq, J. Chem. Phys. 122, 094704 (2005).
J. Puibasset and R. J.-M. Pellenq, J. Phys. Chem. B 112, 6390 (2008).