Thèse Mise en Évidence Expérimentale de la Conversion d'Énergie Hydroélectronique H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : École normale supérieure - PSL (ENS-PSL) École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure Direction de la thèse : Lydéric BOCQUET ORCID 0000000335775335 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-31T23:59:59 Le monde de la fluidique à l'échelle nanométrique est la frontière où le continuum de la mécanique des fluides rencontre la nature atomique de la matière. À bien des égards, les écoulements à l'échelle nanométrique s'écartent des prévisions de la théorie du continuum, et bon nombre des phénomènes observés défient encore toute explication. En particulier, alors que la dynamique de l'eau devrait rester largement classique dans des conditions de confinement, plusieurs expériences - menées notamment par notre groupe - ont récemment révélé l'émergence de couplages quantiques entre le transport de l'eau et les degrés de liberté électroniques des matériaux de confinement. Ces expériences ont ouvert la perspective inattendue de contrôler les écoulements à l'échelle nanométrique grâce aux propriétés électroniques des parois des canaux, et vice-versa. Nous avons rationalisé ces comportements sur la base d'un formalisme quantique. Mais, au-delà de la compréhension des phénomènes de friction quantique, nous avons obtenu des prédictions inattendues, comme l'effet tunnel fluidique, ou encore la conversion énergétique directe entre écoulement et transport électronique. La réalisation d'une conversion hydroélectrique directe - sans utiliser de processus de conversion électro-chimique - aurait des implications majeures pour la récupération d'énergie dans les processus de dessalement et la collecte d'énergie bleue par osmose à pression retardée (PRO). L'objectif de cette thèse est ainsi d'explorer ce mode de conversion directe des écoulements en transport électronique, permettant ainsi de convertir une énergie mécanique (écoulement) ou un gradient de potentiel chimique en une forme d'énergie électrique directement utilisable. Le monde de la fluidique à l'échelle nanométrique est la frontière où le continuum de la mécanique des fluides rencontre la nature atomique de la matière. À bien des égards, les écoulements à l'échelle nanométrique s'écartent des prévisions de la théorie du continuum, et bon nombre des phénomènes observés défient encore toute explication. En particulier, alors que la dynamique de l'eau devrait rester largement classique dans des conditions de confinement, plusieurs expériences - menées notamment par notre groupe - ont récemment révélé l'émergence de couplages quantiques entre le transport de l'eau et les degrés de liberté électroniques des matériaux de confinement. Ces expériences ont ouvert la perspective inattendue de contrôler les écoulements à l'échelle nanométrique grâce aux propriétés électroniques des parois des canaux, et vice-versa. Nous avons rationalisé ces comportements sur la base d'un formalisme quantique. Au-delà de la compréhension des phénomènes de friction quantique, nous avons obtenu des prédictions inattendues, comme l'effet tunnel fluidique, ou encore la conversion énergétique directe entre écoulement et transport électronique. La réalisation d'une conversion hydroélectrique directe - sans utiliser de processus de conversion électro-chimique - aurait des implications majeures pour la récupération d'énergie dans les processus de dessalement et la collecte d'énergie bleue par osmose à pression retardée (PRO). L'objectif de cette thèse est ainsi d'explorer ce mode de conversion directe des écoulements en transport électronique, permettant ainsi de convertir une énergie mécanique (écoulement) ou un gradient de potentiel chimique en une forme d'énergie électrique directement utilisable. Nous explorerons ce phénomène dans plusieurs configurations. D'une part, la thèse explorera une version nanoéchelle de la conversion énergétique, utilisant la nanofabrication van der Waals de nanocanaux 2D à base de graphite. Ces systèmes, qui sont parfaitement contrôlés en termes de géométrie et propriétés électroniques, nous permettront de quantifier point à point les couplages hydroélectroniques. D'autre part, nous explorerons des systèmes à plus grande échelle permettant de valider la mise en échelle des processus de conversion. Dans ce but, nous développerons des systèmes mixtes fluidique/électronique. Divers types de matériaux d'électrodes seront étudiées, et tout particulièrement des matériaux graphitiques pour lesquels nos estimations indiquent des forts couplages entre transport du fluide et transport électronique. Nous explorerons également des matériaux à bases de MXenes, ainsi que des tapis de nanotubes de carbone (de taille et chiralité fixée) fabriqués par nos collaborateurs (Rice University). Il s'agira alors de mettre au point un dispositif microfluidique permetttant de quantifier les couplages fluidique/électronique. Au-delà, nous exploiterons la richesse des matériaux quantique pour optimiser les couplages hydroélectroniques et donc la conversion énergétique.

- développement expérimental - connaisance en physique des fluides et physique statistique

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