Le stockage d’énergie mécanique au sein des systèmes hétérogènes lyophobes (SHL) ou « ressorts moléculaires » repose sur des couplages thermodynamiques et structuraux complexes à l’échelle nanométrique. Une étude multi-échelle est nécessaire pour lier le comportement mécanique macroscopique à l’organisation moléculaire locale du fluide confiné (H_2O, D_2O). Des mesures expérimentales sont réalisées en combinant la calorimétrie à Haute Pression et des méthodes de diffusion de neutrons.
Dans cette étude, les matrices nanoporeuses sont caractérisées pour isoler les contributions géométriques, élastiques et de surface. Leur périodicité et leur hydrophobie sont validées par SAXS, physisorption, FTIR et thermogravimétrie (TGA). Deux familles de matériaux sont comparées : des silices mésoporeuses amorphes rigides (MCM-41 et SBA-15) et des réseaux cristallins métallo-organiques (MOF) comme le ZIF-8 et la MOF74.
La thermodynamique des cycles d’intrusion-extrusion révèle une large palette de comportements. La calorimétrie haute pression montre que l’intrusion forcée de l’eau dans la porosité lyophobe est un processus endothermique. À l’inverse, l’extrusion est dictée par un mécanisme de cavitation thermiquement activée, générant une hystérésis mécanique qui définit la fonction du système. Ces phénomènes sont systématiquement explorés selon plusieurs modes de compression (par gaz et par liquide) et appliqués à des matériaux aux propriétés de surface distinctes, à la fois hydrophiles et hydrophobes.
L’évolution conjointe des déformations de la matrice et des profils d’intrusion est établie pour le réseau ZIF-8. La Diffraction de neutrons couplée à des simulations DISCUS démontre que l’intrusion s’accompagne d’une transition de phase structurale du matériau. La flexibilité et la chimie de surface dictent ainsi la réponse mécanique globale.
Par ailleurs, l’étude du fluide au sein des pores hydrophiles montre que les mesures isobares conduisent aux mêmes structures de la glace sous pression que dans les pores hydrophobes. Si l’effet Gibbs-Thomson est bien connu à pression atmosphérique (P_{atm}) et confirmé par nos valeurs, sa formulation diffère fortement sous haute pression en raison de la compensation thermodynamique induite par la pression interne.