Physico-chemistry of surface Bogdan KUCHTA Bogdan Kuchta Laboratoire MADIREL Université Aix-Marseille

All object are finite – they have a surface !!! Introduction Schematic representation of different types of nanomaterials: (a) kaolinite (b) clay ‘de Paris’, cement (c) gel of silica, polymers (d) porous glasses All object are finite – they have a surface !!! Interface in molecular biology– contacts between nerve ends Interfaces between phases (liquid/gas, solid/gas, ...., ) Special situation: porous materials – big surface: - Very « divided » : Specific surface between 0.1 and 2600 m2g-1 (even 10000 m2g-1) - Or porous : in particular, pores with sizes below 50 nm - And “pulverized” : grains of dimension below 1 m These are nano-materials which are the most interesting from the technological point of view (dimensions < 100 nm). (a) (c) (b) (d)

Notion of interface Evolution of geometric surface as a function of the diameter of silica particles. Separation between two volume phases Although the word ‘interface’ is used as ‘surface’ and other way around, by surface usually we understand the interface between solid/gas or solid/liquid. If we talk about interface we need to define what are the phases forming the interface. exemple : interface solid/gas ; interface solid/liquid - Below 10 µm, we call it divided materials having the specific surface up to 1 m2g-1; - Below 1 µm, we call it ‘colloids’ ; - Below 10 nm, we call it “nano-materials”

Quelques applications des matériaux divisés ou poreux Celles qui résultent de leurs propriétés adsorbantes :  Purification des gaz (atmosphères confinées) ou des liquides alimentaires (huiles, sucres, eau potable)  : charbons actifs  Récupération de solvants (tunnels de peinture) ou d’essence (cannisters de réservoirs d’automobiles)  : charbons actifs  Dessiccation des gaz ou des liquides  : gels de silice, zéolithes  Affinage de l’eau potable  : charbons actifs  Stockage du gaz naturel, de l’hydrogène  : nanotubes, zéolithes, charbons  Élimination de toxines  : alumines, magnésie, argiles, charbons  Emmagasinement d’énergie mécanique  : silices poreuses hydrophobes

Quelques applications des matériaux divisés ou poreux Celles qui résultent de leur état finement divisé :  Poudres phytosanitaires  : soufre Pigments ou charges pour matières plastiques ou caoutchoucs : soufre, noirs de carbone, silices précipitées, oxydes de titane ou de zinc Agents gélifiants  pour peintures, colles, alcool solidifié  : silice pyrogène  Matières premières pour l’industrie des céramiques, avant frittage : kaolin, alumine, magnésie, oxyde d’uranium, nitrures  Liants hydrauliques : plâtres et ciments  Électrodes poreuses pour piles, accumulateurs, super-condensateurs  : carbone  Agents pour le relargage progressif d’engrais ou de principes actifs médicamenteux  : zéolithes, gels ou verres poreux

Porous Materials One can say that the pores are cavities that are deeper then wider. Pore exist in grains of matter. Also, we use porosity inter-granular. c a f e d b a : corrugation b : bottle neck c : opening d : interconnection e : close-ended f : closed (isolated)

Condensation capillaire Mécanismes Adsorption - désorption ns/ms Au point C D désorption Adsorption C Au point D P/PO

Cas d ’un pore cylindrique: adsorption Condensation capillaire Cas d ’un pore cylindrique: adsorption r r Augmentation de la pression Diminution du rayon de courbure  P=/r instabilités

Cas d ’un pore cylindrique: désorption Condensation capillaire Cas d ’un pore cylindrique: désorption r diminution de la pression P=2/r Pads différent de Pdés

Cas d ’un pore cylindrique fermé à une extrémité Condensation capillaire Cas d ’un pore cylindrique fermé à une extrémité P(ads)=P(des)

Autre origine de l’hystérésis Condensation capillaire Autre origine de l’hystérésis Pores en forme de bouteille : vidange pour le rayon de Kelvin correspondant à l’ouverture Connectivité : un pore peut se vider s’il est à la surface ou s’il est adjacent à un autre pore déjà vidé (percolation)

Methods versus dimension of pores 10-1 100 101 102 103 104 105 106 0.3nm 10nm 2nm* 1nm 100nm 1µm 1mm 50nm* nm micropores mésopores macropores …. ultra | super microcapillaires / capillaires / macrocapillaires * normes IUPAC nanopores a c b d e f adsorption remplissage micropores condensation capillaire thermoporométrie porométrie au mercure microcalorimétrie d’adsorption microcalorimétrie d’immersion