Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-objets

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Une thermodynamique non extensive pour décrire le comportement des nanoparticules

Date : 09/11/2012 à 11:00

Titre : Une thermodynamique non extensive pour décrire le comportement des nanoparticules.

Intervenant : Pierre Letellier

Provenance : Laboratoire Interfaces et Systèmes Electrochimiques ; Université Pierre et Marie Curie

Salle : Salle de séminaire (2ième étage)

Résumé :

Les nanotechnologies constituent actuellement un domaine de recherche florissant avec de vastes applications dans l’industrie, le monde médical mais aussi dans la vie courante. En corrélation, la recherche sur les voies d’accès aux nanomatériaux se développe et se diversifie. L’utilisation raisonnée de « nano-objets » demande que l’on en connaisse les propriétés physico-chimiques et surtout qu’on les comprenne. Elles sont généralement liées à la nature du matériau mais également à sa forme et à sa taille. Pour expliquer le comportement des nanoparticules, on utilise généralement la thermodynamique classique en supposant que l’on a affaire à des micro-agrégats sphériques, dont la pression interne est supérieure à celle de l’environnement selon la loi de Laplace. On déduit de cette hypothèse, que les propriétés physico-chimiques des nanomatériaux varient avec l’inverse du rayon de la particule. Pour de nombreux systèmes cela ne correspond pas à la réalité expérimentale. Par ailleurs, sur le plan pratique, l’utilisation de cette approche pose un certain nombre de difficultés. Les nanoparticules réelles ne sont, en général, pas sphériques. Il en est ainsi, par exemple, des cristaux minéraux, organiques et de leurs assemblages, des agrégats de polymères, des films, etc. Pour certains matériaux, comme les microporeux, il est difficile de décrire leur structure spatiale à partir des variables de dimension géométriques classiques, (volume, surface, longueur). C’est pour cette raison qu’il est parfois proposé de recourir aux fractales pour rendre compte de leurs propriétés et comportements. Or, l’introduction de dimensions fractales en thermodynamique entraîne inévitablement la perte de l’extensivité des fonctions d’état. Actuellement, tout un courant de réflexion en physique propose de lier la thermodynamique aux dimensions fractales par l’intermédiaire de fonctions d’état non extensives et non additives. Que l’on adhère ou non à ces approches, il faut reconnaître qu’elles sont auto cohérentes. C’est dans ce courant de pensée que nous avons développé une approche non extensive de la thermodynamique1 adaptée à la réactivité chimique. La non extensivité est introduite au moyen de dimensions thermodynamiques entières ou fractionnaires. Cette démarche est particulièrement adaptée à la description des systèmes complexes (poreux, phases interpénétrées, solutions dispersées, nanoparticules, etc.) et conduit à décrire un certain nombre de comportements physico-chimiques par des lois de puissance de la masse des particules. Nous avons ainsi traité les température de fusion des nanoparticules2, les propriétés redox des nano solides métalliques3, les solubilités des phases condensées4 et des gaz sous la forme de nano bulles (J.Colloid Interface Sci/accepté), les équilibres micellaires impliquant des tensioactifs chargés5, les équilibres de mouillage (gouttes posées) 6. Le but de cette conférence est de montrer comment l’utilisation d’une thermodynamique non extensive permet de rendre compte des variations des propriétés physico-chimiques des nano-systèmes avec leur dimension et de prévoir certains comportements.

(1) Turmine, M. ; Mayaffre, A. ; Letellier, P. Journal of Physical Chemistry B 2004, 108, 18980. (2) Letellier, P. ; Mayaffre, A. ; Turmine, M. Physical Review B 2007, 76. (3) Letellier, P. ; Mayaffre, A. ; Turmine, M. Journal of Physical Chemistry C 2008, 112, 12116. (4) Letellier, P. ; Mayaffre, A. ; Turmine, M. Journal of Physics-Condensed Matter 2007, 19. (5) Letellier, P. ; Mayaffre, A. ; Turmine, M. J. Colloid Interface Sci. 2008, 321, 195. (6) Letellier, P. ; Mayaffre, A. ; Turmine, M. J. Colloid Interface Sci. 2007, 314, 604.