Les neutrons font la lumière sur la structure mésoscopique des solvants eutectiques profonds


Lucie Percevault, Aîcha Jani, Thibaut Sohier, Laurence Noirez, Ludovic Paquin, Fabienne Gauffre, et Denis Morineau

[ Hal | JPhysChemB ]

Les solvants organiques classiques sont largement issus de la pétrochimie et soulèvent plusieurs questions liées à leur impact environnemental, toxicité, volatilité et pérennité. Aujourd’hui, il parait essentiel de rendre les procédés industriels plus vertueux, ce qui passe notamment par l’utilisation de solvants alternatifs.

Les solvants eutectiques profonds (usuellement nommés DES pour Deep Eutectic Solvents) ont depuis peu ouvert une voie jugée prometteuse qui doit être confirmée. Ils ont plusieurs atouts par rapport aux solvants classiques ou aux liquides ioniques, notamment la maîtrise de leur toxicité et leur obtention possible à partir de produits d’origine naturel. Du point de vue des performances, ils se distinguent par leurs capacités de solvatation, d’extraction, ou de biotransformation.

Un système eutectique est composé de deux ou plusieurs corps purs, dont le mélange s’apparente à un corps pur du point de vue de la fusion. Néanmoins, et bien que se présentant comme un liquide macroscopiquement homogène, de nombreuses propriétés indiquent qu’un DES ne forme pas un liquide simple. Le caractère non-idéal de ces mélanges pourrait être lié à la formation d’entités supramoléculaires associées par liaison hydrogène et par complexation d’espèces ioniques dans des stœchiométries définies. Ces entités suscitent un vif intérêt pour le rôle majeur qu’elles peuvent jouer dans la solvatation d’espèces par les DES. L’introduction de DES hydrophobes, amphiphiles ou de phases DES dispersées en solution aqueuses renforce la nécessité d’identifier les échelles auxquelles se développe la nature spatialement hétérogène des DES.

Peu de méthodes expérimentales permettent de caractériser les corrélations dans un mélange liquide multi-constituant à l’échelle de quelques nanomètres. Parmi elles, seule la diffusion de neutrons aux petits angles, grâce à la substitution isotopique (H/D), permet de faire varier à volonté le contraste entre les différents constituants (cf. Figure).

C’est la stratégie qui a été mise en œuvre sur le spectromètre PAXY, dans le cadre d’une collaboration entre physiciens (IPR) et chimistes rennais (ISCR), et le laboratoire Léon Brillouin (LLB). Cette étude a permis de mettre en lumière les conditions de formation de domaines supramoléculaires en distinguant trois catégories de DES (hydrophile ionique, hydrophile non-ionique et hydrophobe) ainsi que leurs solutions aqueuses. Par ailleurs, ce travail positionne à quelques diamètres moléculaires (0.5-2 nm) la distance seuil au-delà de laquelle le DES peut être considéré comme un liquide homogène du point de vue structural.

Figure : Spectres de diffusion de neutrons aux petits angles pour différentes compositions chimiques d’un DES hydrophobe.


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