Nanofluidics : a theoretical and numerical investigation of fluid transport in nanochannels
par Simon Gravelle
Thèse de doctorat en Physique
Sous la direction de Christophe Ybert et de Lydéric Bocquet.
Soutenue le 17-11-2015
à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut Lumière Matière (laboratoire) .
Le président du jury était Thierry Biben.
Le jury était composé de Christophe Ybert, Lydéric Bocquet, Laurent Joly, Roland Netz, John Palmeri.
Les rapporteurs étaient Jérôme Mathé, Benjamin Rotenberg.
- Nanofluidique
- Transport
- Aquaporine
- Remplissage capillaire
- Diode nanofluidique
- Bruit rose
- Dynamique moléculaire
- Éléments finis
- Nanofluides
- Aquaporines
- Microfluidique
- Éléments finis, Méthode des
mots clés
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Titre traduit
Nanofluidique : une investigation théorique et numérique du transport fluidique dans les nanocannaux
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Résumé
Cette thèse décrit diverses situations liées au transport fluidique aux nano-échelles. Le premier chapitre est une introduction à la nanofluidique qui contient une revue des longueurs caractéristiques, des forces et des phénomènes présents aux nano-échelles. Le deuxième chapitre est une étude de l'impact de la géométrie sur la perméabilité hydrodynamique d'un nanopore. Inspirée par la forme des aquaporines, cette étude suggère une optimisation possible pour des canaux biconiques. Le troisième chapitre est une étude du remplissage capillaire dans des canaux sub-nanométriques en carbone. Cette étude montre l'importance de la pression de disjonction induite par la structure du fluide sur le remplissage. Le quatrième chapitre est une étude d'une diode nanofluidique, un composant connu pour imiter le comportement d'une diode à semi-conducteur. On montre qu'un fort couplage entre l'eau et la dynamique des ions entraîne une rectification du flux d'eau à l'intérieur de la diode. Le cinquième et dernier chapitre est une étude de l'origine du bruit rose (1=f) communément observé lors des mesures de courant ionique dans les nanopores
- Nanofluidics
- Transport
- Aquaporin
- Capillary filling
- Nanofluidic diode
- Pink noise
- Molecular dynamics
- Finite elements
mots clés
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Résumé
This thesis discusses various situations linked to transport at the nanoscale. The first chapter is an introduction to nanofluidics, containing a review of characteristic lengths, forces, or phenomena existing at the nanoscale. The second chapter is a study of the impact of geometry on the hydrodynamic permeability of a nanopore. This study, inspired by the shape of aquaporins, suggests a possible optimisation of permeability for bi-conical channels. The third chapter is a study of capillary filing inside subnanometric carbon channels which highlights the importance of the disjoining pressure induced by the fluid structuring inside the nanochannel. The fourth chapter is a study of nanofluidic diode, a component known to mimic the behaviour of semiconductor diode. The study highlights a strong coupling between water and ion dynamics which leads to a water flow rectification inside the diode. The fifth and last chapter is a study of the origin of commonly observed pink noise (1=f) in ionic current measurements through nanopores
