Les thèmes de recherche de l’équipe se situent à l’interface entre la matière molle, la dynamique des fluides et les nanosciences. Elle combine expériences, théorie et modélisation numérique pour explorer les mécanismes de transport aux interfaces, de l’échelle macroscopique à l’échelle moléculaire. Ses activités récentes se concentrent en particulier sur la nanofluidique, c’est-à-dire le transport nano-fluidique dans les nanopores, les nanotubes et les matériaux 2D, et visent à mettre en évidence les propriétés parfois exotiques du transport à ces échelles ultimes. Elle explore également les propriétés mécaniques à l’échelle nanométrique à l’aide de microscopes à force atomique spécifiquement développés dans le laboratoire. Les phénomènes inattendus qui émergent à ces échelles permettent d’explorer de nouvelles pistes dans les domaines de l’énergie et du dessalement. Une start-up, Sweetch Energy, est née des travaux de l’équipe sur ces sujets.

Récemment, l’équipe a prédit une nouvelle contribution quantique à la force de frottement solide-liquide, qui résulte du couplage des fluctuations de charge de l’eau avec les excitations électroniques à l’intérieur du solide. Cette nouvelle théorie a permis de rationaliser l’observation expérimentale du glissement de l’eau en fonction du rayon dans les nanotubes de carbone. Plus important encore, elle révèle un changement de paradigme pour l’hydrodynamique à l’échelle nanométrique que l’équipe explore actuellement dans le cadre d’un projet européen « ERC synergy n-aqua » avec les équipes de Mayence et de Cambridge.

L’hydrodynamique est généralement étudiée sous l’angle de la physique classique. Pourtant, à l’interface solide-liquide, le fluide devient sensible à la dynamique quantique des électrons. Pour un fluide s’écoulant le long d’une parois, cela a notamment pour conséquence l’ajout d’une contribution quantique au frottement hydrodynamique ainsi que la génération de courant électriques dans le solide. Au sein de l’équipe, ces phénomènes sont étudiés à la fois à l’aide d’expériences et de contributions théoriques.

“Fluctuation-induced quantum friction in nanoscale water flows”, N. Kavokine, M.-L. Bocquet and L. Bocquet, Nature 602, 84–90 (2022)

“Massive radius-dependent flow slippage in single carbon nanotubes ” E. Secchi, S. Marbach, A. Niguès, D. Stein, A. Siria and L. Bocquet, Nature 537 210 (2016)

Malgré des décennies de progrès en intelligence artificielle, notre cerveau possède encore une considérable longueur d’avance sur les ordinateurs : sa consommation énergétique, de l’ordre de 20W. Son organisation diffère également beaucoup des systèmes électroniques, car la Nature utilise de l’eau et des ions pour calculer – et non électrons. En étudiant, expérimentalement et théoriquement, les phénomènes à mémoire en nanofluidique, nous tentons de comprendre et imiter les processus d’apprentissage biologiques.

“Modeling of emergent memory and voltage spiking in ionic transport through angström-scale slits”, P. Robin, N. Kavokine, and L. Bocquet, Science, 373, 687–691 (2021)

Des molécules peu coûteuses, fonctionnelles et d’une précision atomique pourraient être à la base des futurs dispositifs électroniques, mais leur intégration dans les circuits nécessite la mise au point de nouveaux moyens de contrôler l’interface entre les molécules et les électrodes. Sur le plan expérimental, les techniques sont essentiellement le STM et l’AFM-nc en condition sèche sous UHV. Dans notre groupe, nous utilisons des codes de simulation ab initio de pointe pour concevoir des modèles atomistiques de ces interfaces complexes, en étroite collaboration avec les équipes STM.

Le rôle joué par la chimie des interfaces devient prépondérant aux nanoéchelles et le transport nanofluidique est une source de questions à l’interface entre chimie quantique et matière condensée. En utilisant des méthodes de dynamique ab initio pour simuler le solvant eau explicitement nous avons démontré des effets quantiques « réactifs » inattendus à l’interface des nanomatériaux 2D et l’eau, comme l’interaction des ions OH- solvatés avec la surface du graphène ou la déshydratation d’un feuillet d’oxyde de graphène.

“Reaction of Phthalocyanines with Graphene on Ir(111)”, Altenburg, S.J., Lattelais, M., Wang, B., Bocquet, M.-L., Berndt, R., Journal of the American Chemical Society, 137, 29 (2015)

“Spin in a Closed‐Shell Organic Molecule on a Metal Substrate Generated by a Sigmatropic Reaction”, Bocquet, M.-L., Lorente, N., Berndt, R., Gruber, M., Angewandte Chemie, 58, 821-824 (2019)

“Versatile electrification of two-dimensional nanomaterials in water”, Grosjean, B., Bocquet, M.-L., Vuilleumier, R., Nature
Communications, 10 (1), art. no. 1656 (2019)

“Structure and chemistry of graphene oxide in liquid water from first principles”, Mouhat, F., Coudert, F.-X., Bocquet, M.-L., Nature Communications, 11 (1), art. no. 1566 (2020)

Les applications typiques qui découlent de l’étude fondamentale du transport nanofluidique s’inscrivent dans le contexte du développement durable et de la transition énergétique. En effet, l’exploitation des phénomènes ayant lieu aux nano-échelles a permis à l’équipe de développer des procédés de filtration et de dessalement d’eau performants aux échelles macroscopiques. Le laboratoire s’intéresse également à l’étude du scale-up des technologies de production d’énergie à partir de gradients salins (gradients présents notamment aux embouchures des lacs et des rivières). Chacune de ces différentes applications repose sur l’utilisation de membranes composites nanostructuées dans des procédés avancés. Ces différentes technologies ont pour but d’exploiter de nouvelles sources d’énergie renouvelables et de développer des systèmes innovants pour l’accès à l’eau potable, tout en présentant des rendements énergétiques plus performants que les approches conventionnelles.

“ Osmosis, from molecular insights to large scale applications”, S. Marbach and L. Bocquet, Chemical Society Reviews 48, 3102-3144 (2019)

“New avenues for the large scale harvesting of blue energy” A. Siria, M.-L. Bocquet and L. Bocquet, Nature Reviews Chemistry 1 0091 (2017)