De nombreux solides nanoporeux peuvent se déformer lors de l'adsorption de gaz alternant des étapes de contraction et de gonflement en fonction des conditions thermodynamiques et de la taille des pores. Cette étude vise à caractériser le confinement local d'un fluide dans un milieu microporeux à l'aide de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). Cette méthode, qui s'avère déjà très efficace pour caractériser des profils de densité au sein de pores plans et parallèles [1], est utilisée pour estimer la pression au sein d'un pore de taille nanométrique. L'avantage principal de la méthode est son efficacité en terme de coût de calcul permettant de tester, de façon quasi-continue, toutes les configurations en terme de taille de pore et de pression environnante afin de caractériser l'influence de l'adsorption sur le confinement du fluide.

Seuls les pores plan/plan sont considérés ici. La pression de pore est proportionnelle à la dérivée partielle du grand potentiel thermodynamique par rapport à la taille de pore, à température, potentiel chimique et surface de pore constants. Cette pression est fonction uniquement de la taille de pore, du profil de densité au sein du pore et du potentiel d'interaction fluide-solide choisi. Afin de calculer effectivement cette pression de pore, les profils de densité sont estimés à l'aide d'une DFT non locale associée à l'équation d'état SAFT-VR [2] (Statistical Associating Fluid Theory-Variable Range).

Tout d'abord la méthode est appliquée pour le couple méthane-graphite. Tout en conservant la précision des simulations moléculaires à l'échelle des pores, le modèle présente un coût de calcul très faible qui a permis d'obtenir des profils continus de pression de pore sur une large gamme de pressions environnantes (0-100 bar) et de tailles de pore (0.5-3nm) [3]. La dépendance est forte et complexe pour les micropores. Suivant la taille du pore, certaines configurations se traduisent par un gonflement ou une contraction du pore et le travail des forces de pression permet de distinguer des répartitions de fluide stables ou instables où la pression de pore est nulle dans les deux cas.

Ensuite la méthode est étendue au cas de l'eau. Le cas de l'eau est particulièrement intéressant, non seulement pour son importance dans de nombreuses applications industrielles et processus naturels, mais également parce que l'adsorption de cette dernière est complexe et présente des mécanismes variés. Cette étude vise à caractériser la pression de pore induite par l'adsorption de l'eau dans des pores plans nanoscopiques par une théorie fonctionnelle de la densité moléculaire non locale (NLDFT). La DFT est ici couplée à la théorie statistique des fluides associatifs (SAFT-VR) qui permet la modélisation des propriétés thermodynamiques de l'eau en phase bulk [4]. Plusieurs configurations sont explorées pour l'eau confinée en modifiant à la fois les conditions thermodynamiques et la taille des pores. A titre d'exemple, la condensation et l'évaporation capillaires sont étudiées au sein de micro- et mésopores. L'hystérésis d'adsorption donne lieu à une hystérésis de pression pour laquelle des conséquences sur le comportement mécanique sont étudiées. L'influence de l'activation des surfaces sur l'adsorption d'eau et la pression de pore induite est également explorée.

Remerciements
Nous remercions vivement la Communauté de Communes de Lacq-Orthez pour son financement. David Grégoire est membre junior de l'Institut Universitaire de France.

Références
[1] C. Malheiro et al., The Journal of Chemical Physics, 140 (13), 134707 (2014).
[2] A. Gil-Villegas et al., The Journal of Chemical Physics, 106 (10), 4168 (1997).
[3] Grégoire D, Malheiro C, Miqueu C, Contin Mech Thermodyn, 30(2), 347-363 (2018).
[4] Clark GNI, Haslam AJ, Galindo A, Jackson G, Mol Phys, 104(22–24), 3561–81 (2006).