Viability of nanoporous films for nanofluidic applications

par Davide Raffaele Ceratti

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-Chimie des Matériaux

Sous la direction de David Grosso.

Soutenue le 30-09-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (laboratoire) .

Le jury était composé de Jacques Leng, Cyril Aymonier, Giuseppe Foffi, Christophe Sinturel, Marco Faustini, Vincent Dahirel.

  • Titre traduit

    Couches minces nanoporeuses comme plateforme pour applications nanofluidiques


  • Résumé

    Ces travaux de thèse ont eu deux objectifs: i) le développent de systèmes nanofluidique en utilisant une méthode non-lithographique, peu chère et facilement transposable à l'échelle industrielle ii) la compréhension des phénomènes nanofluidiques au travers des études expérimentales et de modélisation. Des couches minces mesoporeuses, en particulier des structures planaires avec des nanopiliers, ont été utilisé pour des études sur l'infiltration capillaire des liquides dans espaces confiné au niveau nanométrique. En plus des premiers tests pour des applications plus complexes comme des séparations et réactions nanoconfiné. Des structures mesoporeuses non-organisés ont aussi été étudiées pour déterminer la relation entre la nanostructure et la vitesse de remplissage capillaire. A été aussi démontré que pour des porosités avec des forts rétrécissements le remplissage capillaire se produit par l'intermédiaire d'une phase vapeur. Les échantillons ont été préparés par dip-coating. Une méthode de préparation basé sur une substitution de la plus grande parte de la solution à déposer par un fluide inerte a été développé. La méthode permet de réduire fortement le cout de procédé et, par conséquence, de faire des dépôts sur plus grande surface. Un effort dans la modélisation des phénomènes nanofluidiques a aussi été fait pendant cette thèse. Une méthode de simulation qui permet de décrire adéquatement les interactions hydrodynamiques dans un système nano a été utilisée pour simuler un flux électro-osmotique. La méthode, Stochastic Rotational Dynamics, a été valide par confrontation avec des résultats connus et l'influence des certains paramètres de simulation évaluée dans le détail.


  • Résumé

    This thesis had a dual purpose: i) the development of nanofluidic devices through not lithographic, cheap and scalable bottom-up approach ii) the understanding of nanofluidic phenomena both through experiments and simulations. Mesoporous thin films, in particular Pillared Planar Nanochannels (PPNs), were prepared and utilized to study the capillary infiltration of liquids in nanostructures and have been tested for future nanofluidic applications like separations and nanoconfined reactions. Non organized mesoporous films have also been studied to determine the relationship between nanostructure characteristics and infiltration speed. It has been also demonstrated that in the case of porosities with reduced bottle-necks capillary penetration is performed through a vapor mediated mechanism The samples were prepared by dip-coating. A novel method of preparation based on the substitution of a large part of the deposing solution in dip-coating with an inert fluid has been developed in order to strongly reduce the fabrication costs and allow the preparation of larger samples. Moreover advancement in control of the dip-coating technique in “acceleration-mode” to produce thickness gradients has been developed and some potential application linked to fluidics shown. Finally a part of the effort of this thesis has been placed in the modeling of the electro-osmotic phenomenon in nanostructures through a rather novel simulation method, Stochastic Rotational Dynamics, which takes into account the hydrodynamics and the other interactions inside a nanofluidic system. Validations of the method and further investigations in particular nanofluidic conditions have been performed.


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