Transport d'ions en phase aqueuse à l'intérieur de nanotubes de carbone mono-feuillets

Transport of ions in aqueous phase through single-walled carbon nanotubes

• Auteur / Autrice : Khadija Yazda
• Direction : Vincent Jourdain, François Henn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/04/2016
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Lucyna Firlej
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Jourdain, François Henn, Lucyna Firlej, Hyung Gyu Park, Juan Pelta, Alessandro Siria
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hyung Gyu Park, Juan Pelta

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres de carbone

Ionique de l'état solide

Dispositifs fluidiques

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotubes de carbone

Dispositifs nanofluidiques

Transport ionique

Nanopores détection

Nanofabrication

Mesures de courant ionique

Carbon nanotube

Nanofluidic devices

Ionic transport

Nanopore sensing

Nanofabrication

Ionic current measurements

Résumé

Le transport d’ions et de molécules à l’intérieur de canaux nanométriques diffère du transport à l’échelle micro- ou macroscopique du fait de rapports surface/volume bien plus élevés conduisant à de nouveaux phénomènes de transport. Les nanotubes de carbone avec leurs propriétés uniques apparaissent comme des canaux exceptionnellement intéressants pour mieux comprendre le transport ionique et fluidique à l’échelle nanométrique et pour d’éventuelles applications nanofluidiques. Ce travail est dédié à l’étude et la compréhension des mécanismes de transport des ions en phase aqueuse à l’intérieur de nanotubes de carbone, un sujet particulièrement important pour le développement d’applications dans le domaine du séquençage de l’ADN ou de l’analyse biochimique de petites molécules.Durant ce travail, un protocole a été développé pour la fabrication de dispositifs microfluidiques intégrant des nanotubes de carbone et permettant des mesures à la fois électriques et optiques. Les propriétés de transport à l’intérieur de nanotubes de carbone mono-feuillets ont été étudiées en combinant mesures de courant ionique sous application d’un champ électrique, spectroscopie Raman et modélisation théorique. Les résultats obtenus par cette étude démontrent la forte influence de l’environnement du nanotube sur la densité et la distribution des charges de surface et donc sur les propriétés de transport à l’intérieur de ces nano-canaux dont les parois sont d’épaisseur atomique. Les ordres de grandeur des courants ioniques mesurés expérimentalement sont en bon accord avec les modèles standards de transport ionique dans un nanocanal en considérant des densités de charge de surface et des longueurs de glissement physiquement raisonnables. De manière importante, ce travail a permis de mettre en évidence un transport ionique activé par champ électrique à l’intérieur de nanotubes de carbone, qui peut être expliqué en considérant un modèle de transport plus élaboré intégrant une ou plusieurs barrières d’énergie le long du nanotube. Les résultats de la caractérisation Raman suggèrent que ces barrières d’énergie résultent d’un dopage hétérogène le long du nanotube induit par la matrice polymère.

Ionic and molecular transport inside nanometer scale geometries is distinct from micro- and macroscale transport due to the large surface-to-volume ratios which lead to unique transport phenomena. Carbon nanotubes with their peerless properties appear as exceptional channels for understanding fluidic and ionic transport at the nanoscale and for developing nanofluidics-based applications. This work is devoted at studying and understanding the transport mechanisms of ions in aqueous phase through carbon nanotubes, which is especially important for various applications such as DNA sequencing or biochemical analysis of small molecules.During this work, a protocol was developed for the fabrication of carbon nanotubes-based microfluidic devices which are suitable for both electrical and optical measurements. The transport properties through single-walled carbon nanotubes were investigated by combining ion current measurements under an applied voltage, Raman spectroscopy and theoretical modelling. The results obtained from this study highlight the strong influence of the nanotube environment on their surface charge density and distribution and hence on the ionic transport properties through these nanochannels having walls of atomic thickness. The orders of magnitude of the ionic currents experimentally measured are in good agreement with the standard models of ion transport through nanochannels when considering physically reasonable values of surface charge densities and slip lengths. Importantly, this work allowed us to evidence a novel voltage-activated transport of ions through carbon nanotubes which can be accounted for by considering a more elaborate transport model including the presence of one or more energy barriers along the nanotube. Raman characterization results support that these energy barriers result from a heterogeneous doping along the nanotubes induced by the polymer matrix.