Fluides nanoconfinés dans des systèmes de basse symétrie : Simulations et théorie
Résumé
The thermodynamic and mechanical properties of fluids confined at a sub-microscopic scale dramatically differ from those of the bulk liquid. As far as numerical simulations are concerned, the actual studies on confined fluids mostly concern high symmetry cases where there is no simple access to the system's grand potential. This restriction drastically reduces the field of complex systems that can be theoretically studied, even though progress in microtechnologies now allow to fabricate a wide range of confining substrates bearing a nanoscopic structure. In this thesis we developped a method to compute the grand potential based on a thermodynamic scheme that can be applied to any low symmetry case. Monte Carlo simulations in the Grand Canonical ensemble of a simple fluid confined in two model systems (where the substrates either show a chemical structure or a geometrical one) were employed to make a complete investigation of the phase behavior of the fluid in these systems. In particular we identified the different morphologies the fluid can adopt, and their domain of thermodynamic stability. We also studied for the first time the effects of torsion on a confined fluid. We investigated the phase behavior of bridges morphologies (that can appear when a fluid is confined by nanostructured substrates) and their rheology when exposed to torsion.
Les propriétés thermodynamiques et mécaniques des fluides confinés à l'échelle sub-microscopique diffèrent profondément de celles du liquide macroscopique. Dans le cadre de la simulation numérique, les études actuelles sur les fluides confinés concernent pour la plupart des cas de haute symétrie où le grand potentiel du système est aisément accessible. Cette limitation restreint grandement le champ des systèmes complexes étudiés théoriquement, alors même que les progrès réalisés dans le domaine des microtechnologies permettent la préparation d'une grande variété de substrats confinants présentant une structure nanométrique. Dans cette thèse nous avons donc développé une méthode de calcul du grand potentiel par intégration thermodynamique applicable aux cas de basse symétrie. Un travail de simulation de Monte Carlo dans l'ensemble Grand Canonique sur un fluide simple confiné dans deux systèmes modèles (où les substrats portent une structure chimique ou géométrique) associé à cette méthode nous a permis de réaliser une étude approfondie du comportement de phase du fluide dans ces systèmes, notamment en identifiant les différentes morphologies que le fluide peut adopter ainsi que leur domaine de stabilité thermodynamique. Nous avons aussi étudié pour la première fois les effets de la torsion sur un fluide confiné. On s'est penché tout particulièrement sur le comportement de phase des morphologies pont (que l'on voit apparaître lors du confinement par des substrats nanostructurés), et sur leur rhéologie lors de la torsion.