Contact: P. Dumas
Des champs à l’échelle du nanomètre aux phénomènes localisés en solution. Projet dans lequel nous mettons en évidence le rôle crucial du champ électrique à l’apex d'une pointe métallique pour générer localement les conditions favorables à la nucléation.
L'eau liquide peut être décomposée en hydrogène (H2) et oxygène (O2) gazeux par électrolyse. Pour se produire aux interfaces électrode-électrolyte, cette double réaction nécessite un minimum de différence de potentiel (hauteur de barrière énergétique). L'ordre de grandeur pratique de la densité maximale de courant échangé aux électrodes conductrices est l'A/cm2. Les expériences que nous avons réalisées démontrent que, localement, la densité de courant d'électrolyse peut dépasser la valeur moyenne de plusieurs ordres de grandeur. Pour ce faire, nous avons combiné une électrode-pointe au rayon de courbure nanométrique à l'utilisation de polarisations alternatives ad hoc. Ainsi, la différence de potentiel requise pour la réaction peut, à proximité de l'apex, se produire sur une épaisseur d'électrolyte extrêmement réduite. L'ordre de grandeur du champ électrique y dépasse alors le V/nm. C'est crucial car la demi-réaction : H+ + e- -> 1/2 H2 est limitée par la probabilité d'effet tunnel d'un électron de l'électrode vers un proton de la solution et que cette probabilité augmente très fortement (exponentiellement) quand l'épaisseur diminue. Sur le plan expérimental, la clef de cette mise en évidence réside dans l'exploitation d'un temps caractéristique d'établissement du courant d'électrolyse via l'apex plus petit que via le reste de la surface, plus plate, de l'électrode.
Optiquement, dans les conditions ad hoc, on observe, depuis l'apex seulement, l'émission de bulles de gaz ayant localement nucléé à partir des gaz dissous produits par la réaction d'électrolyse. Le champ électrique intense permet donc de localiser la nucléation de bulles dans l’espace. Le travail actuel consiste à déceler la signature électrique de la présence de ces bulles. Ce phénomène d'exaltation à l'apex nanométrique d'une pointe peut aussi être mis à profit pour déclencher localement d’autres mécanismes fondamentaux susceptibles de favoriser la nucléation de cristaux. Le but est de biaiser le caractère stochastique de la nucléation de cristaux pour agir sur où et quand ceux-ci se développeront. C’est un enjeu tant fondamental qu’appliqué. En plus d’en apprendre sur les mécanismes favorisant la nucléation, on saurait notamment où braquer nos meilleurs outils d'observation et quand leur demander d'être attentifs aux tout premiers stades de la croissance.
Références:
Olives, J.; Hammadi, Z.; Morin, R.; Lapena, L., Water nanoelectrolysis: A simple model. J. Appl. Phys. 2017, 122 (24), 244902.
Hammadi, Z.; Lapena, L.; Morin, R.; Olives, J., Immobilization of a bubble in water by nanoelectrolysis. Appl. Phys. Lett. 2016, 109 (6), 064101.
Hammadi, Z.; Grossier, R.; Zhang, S.; Ikni, A.; Candoni, N.; Morin, R.; Veesler, S., Localizing and inducing primary nucleation. Faraday Discuss. 2015, 179, 489-501.
Hammadi, Z.; Morin, R.; Olives, J., Field nano-localization of gas bubble production from water electrolysis. Appl. Phys. Lett. 2013, 103 (22), 223106.
