With the rise of nanotechnology in the last decade, nanofluidics has been established as a research field and gained increased interest in science and industry. Natural aqueous nanofluidic systems are very complex, there is often a predominance of liquid interfaces or the fluid contains charged or differently shaped colloids. The effects, promoted by these additives, are far from being completely understood and interesting questions arise with regards to the confinement of such complex fluidic systems. A systematic study of nanofluidic processes requires designing suitable experimental model nano – channels with required characteristics. The present work employed thin liquid films (TLFs) as experimental models. They have proven to be useful experimental tools because of their simple geometry, reproducible preparation, and controllable liquid interfaces. The thickness of the channels can be adjusted easily by the concentration of electrolyte in the film forming solution. This way, channel dimensions from 5 – 100 nm are possible, a high flexibility for an experimental system. TLFs have liquid IFs of different charge and properties and they offer the possibility to confine differently shaped ions and molecules to very small spaces, or to subject them to controlled forces. This makes the foam films a unique “device” available to obtain information about fluidic systems in nanometer dimensions. The main goal of this thesis was to study nanofluidic processes using TLFs as models, or tools, and to subtract information about natural systems plus deepen the understanding on physical chemical conditions. The presented work showed that foam films can be used as experimental models to understand the behavior of liquids in nano – sized confinement. In the first part of the thesis, we studied the process of thinning of thin liquid films stabilized with the non – ionic surfactant n – dodecyl – β – maltoside (β – C₁₂G₂) with primary interest in interfacial diffusion processes during the thinning process dependent on surfactant concentration 64. The surfactant concentration in the film forming solutions was varied at constant electrolyte (NaCl) concentration. The velocity of thinning was analyzed combining previously developed theoretical approaches. Qualitative information about the mobility of the surfactant molecules at the film surfaces was obtained. We found that above a certain limiting surfactant concentration the film surfaces were completely immobile and they behaved as non – deformable, which decelerated the thinning process. This follows the predictions for Reynolds flow of liquid between two non – deformable disks. In the second part of the thesis, we designed a TLF nanofluidic system containing rod – like multivalent ions and compared this system to films containing monovalent ions. We presented first results which recognized for the first time the existence of an additional attractive force in the foam films based on the electrostatic interaction between rod – like ions and oppositely charged surfaces. We may speculate that this is an ion bridging component of the disjoining pressure. The results show that for films prepared in presence of spermidine the transformation of the thicker CF to the thinnest NBF is more probable as films prepared with NaCl at similar conditions of electrostatic interaction. This effect is not a result of specific adsorption of any of the ions at the fluid surfaces and it does not lead to any changes in the equilibrium properties of the CF and NBF. Our hypothesis was proven using the trivalent ion Y3+ which does not show ion bridging. The experimental results are compared to theoretical predictions and a quantitative agreement on the system’s energy gain for the change from CF to NBF could be obtained. In the third part of the work, the behavior of nanoparticles in confinement was investigated with respect to their impact on the fluid flow velocity. The particles altered the flow velocity by an unexpected high amount, so that the resulting changes in the dynamic viscosity could not be explained by a realistic change of the fluid viscosity. Only aggregation, flocculation and plug formation can explain the experimental results. The particle systems in the presented thesis had a great impact on the film interfaces due to the stabilizer molecules present in the bulk solution. Finally, the location of the particles with respect to their lateral and vertical arrangement in the film was studied with advanced reflectivity and scattering methods. Neutron Reflectometry studies were performed to investigate the location of nanoparticles in the TLF perpendicular to the IF. For the first time, we study TLFs using grazing incidence small angle X – ray scattering (GISAXS), which is a technique sensitive to the lateral arrangement of particles in confined volumes. This work provides preliminary data on a lateral ordering of particles in the film. / Mit dem Heranwachsen der Nanotechnologie in den vergangenen zehn Jahren hat sich die Nanofluidik als Forschungsbereich etabliert und erfährt wachsende Aufmerksamkeit in der Wissenschaft, sowie auch in der Industrie. Im biomedizinischen Bereich, wo intrazelluläre Prozesse häufig komplexer, nanofluidischer Natur sind, wird sich vermehrt für ein detailliertes Verständnis von nanofluidischen Prozessen interessiert, z.B. für den Einfluss von Kolloiden verschiedenster Form oder elektrischer Ladung auf die Kanäle und auf das Fließverhalten oder die Auswirkungen der Einengung von Flüssigkeiten und Kolloiden in Nanometer Geometrien. In der vorliegenden Arbeit werden dünne flüssige Filme, hinsichtlich ihrer Funktion als nanofluidische Modelle untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Fließgeschwindigkeit des Fluids aus dem dünnen Film, abhängig von der Konzentration der filmstabilisierenden Tensidmoleküle n – Dodecyl β – D – Maltoside ( β – C₁₂G₂) bei einer konstanten Elektrolytkonzentration von 0.2 mM NaCl untersucht. Mit einem theoretischen Modell konnte das Dünnungsverhalten nachgezeichnet werden. Es wurde eine kritische Tensidkonzentration gefunden, unter der die Oberflächen lateral mobil sind und über der sie sich wie fest verhalten. Dadurch konnten wir Aufschluss darüber erlangen, wie die Oberfläche des Films unter verschiedenen Bedingungen geschaffen ist, und das in Bezug zur Verteilungsdichte der Moleküle an den Oberflächen setzen. Im weiteren wurden komplexere, nanofluidische Systeme untersucht, wobei zum einen ~ 1 nm lange, stäbchenförmige, multivalent geladene Spermidin - Moleküle die punktförmigen Elektrolyte ersetzten. Es konnte eine deutliche Veränderung der Stabilität zwischen Filmen mit und ohne Stäbchen festgestellt werden. Die Filme, mit NaCl, blieben länger in dem metastabilen „Common Film“ (CF) Zustand als die Filme, die eine vergleichbare Konzentration von Spermidin Stäbchen beinhalteten. Die Ergebnisse deuteten auf eine zusätzliche Anziehungskraft durch Brückenbildung zwischen zwei geladenen Oberflächen durch gegensätzlich geladene Stäbchenförmige Moleküle hin. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt weder ein Ergebnis von spezifischer Ionenadsorption an die Filmoberfläche war, noch ein Unterschied in den Gleichgewichtszuständen von den Dicken der CFs und der Newton Black Films (NBFs) hervorrief, was auf die korrekte Annahme der Ionenstärke in der Lösung schließen ließ. Auch in Versuchen mit ebenfalls trivalenten Ionen YCl3 wurde festgestellt, dass kein vergleichbarer Überbrückungseffekt auftritt. Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Simulationen verglichen und es wurde eine quantitative Übereinstimmung gefunden bezüglich der Größe des Systeminternen Energiegewinns durch den Überbrückungseffekt. Desweiteren wurde das Fließverhalten von Fluiden mit Kolloiden eingeengt in Nanometer Geometrien untersucht. Für zwei verschiedene Arten von Nanopartikeln (Fe3O4 stabilisiert mit Oleinsäure und polymerstabilisierte Goldpartikel) wurde eine Verlangsamung der Fließgeschwindigkeit festgestellt. Mit einem theoretischen Modell konnte das Fließverhalten nur für enorm erhöhte Viskositätswerte des Fluids erklärt werden. Die Viskositätserhöhung wurde mit Partikelaggregaten, die den Ausfluss behindern, erklärt und diskutiert, unter der Annahme eines nicht - Newtonischen Fließverhaltens der Dispersionen. Gleichermaßen wurde die strukturelle Anordnung der Partikel in den Filmen hinsichtlich ihrer vertikalen und lateralen Verteilung untersucht. In dieser Arbeit werden vorläufige Ergebnisse präsentiert, die noch weiteren Studien bedürfen. Mit Neutronenreflexion sollte die Anordnung der Partikel orthogonal zur Oberfläche im Film analysiert werden. Eine qualitative Analyse lässt schließen, dass bei einer höheren Konzentration von Partikeln in Lösung, sich auch eine erhöhte Konzentration von Partikeln im dünnen Film befindet. Leider konnten die Daten nicht hinsichtlich der Lage der Partikel analysiert werden. Zum ersten Mal wurden dünne flüssige Filme mit Kleinwinkelröntgenstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) analysiert. Mit Hilfe dieser Methode sollte eine laterale Anordnung der Partikel im Film untersucht werden. Es konnten erfolgreiche Messungen durchgeführt werden und mit Hilfe der rechnergestützten Analyse konnte eine Aussage gemacht werden, dass ~ 6 nm große Teilchen in ~ 43 nm Abstand sich im Film befinden. Die Aussage bezüglich der kleinen Teilchen könnte sich auf einzelne, kleinere Partikel beziehen, allerdings könnten auch die 43 nm eine relevante Strukturgröße darstellen, da es in der Dispersion gehäuft Aggregate mit dem Durchmesser in dem Größenbereich vorliegen. Zusammenfassend können sich mit dieser Arbeit die dünnen flüssigen Filme als eine wichtige Kernmethode der Untersuchung von nanofluidischen Prozessen, wie sie häufig in der Natur vorkommen, behaupten.

Inorganic-polymer hybrid materials have a high potential to enable major advances in material performance in a wide range of applications. This research focuses on characterizing and tailoring the physics and chemistry of inorganic-polymer interfaces in fabricating high-performance zeolite-polymer mixed-matrix membranes for energy-efficient gas separations. In addition, the topic of novel metal nanoparticle-coated polymer microspheres for optical applications is treated in the Appendix. In zeolite/polymer mixed-matrix membranes, interfacial adhesion and interactions between dope components (zeolite, polymer and solution) play a crucial role in determining interfacial morphology and particle dispersion. The overarching goal is to develop accurate and robust tools for evaluating adhesion and interactions at zeolite-polymer and zeolite-zeolite interfaces in mixed-matrix membrane systems. This knowledge will be used ultimately for selecting proper materials and predicting their performance. This project has two specific goals: (1) development of an AFM methodology for characterizing interfacial interactions and (2) characterization of the mechanical, thermal, and structural properties of zeolite-polymer composites and their correlation to the zeolite-polymer interface and membrane performance. The research successfully developed an AFM methodology to determine interfacial interactions, and these were shown to correlate well with polymer composite properties. The medium effect on interactions between components was studied. We found that the interactions between two hydrophilic silica surfaces in pure liquid (water or NMP) were described qualitatively by the DLVO theory. However, the interactions in NMP-water mixtures were shown to involve non-DLVO forces arising from bridging of NMP macroclusters on the hydrophilic silica surfaces. The mechanism by which nanostructured zeolite surfaces enhanced in zeolite-polymer interfacial adhesion was demonstrated to be reduced entropy penalties for polymer adsorption and increased contact area. ¡¡¡¡¡¡Metal nanoparticle (NP)-coated polymer microspheres have attracted intense interest due to diverse applications in medical imaging and biomolecular sensing. The goal of this project is to develop a facile preparation method of metal-coated polymer beads by controlling metal-polymer interactions. We developed and optimized a novel solvent-controlled, combined swelling-heteroaggregation (CSH) technique. The mechanism governing metal-polymer interaction in the fabrication was determined to be solvent-controlled heteroaggregation and entanglement of NPs with polymer, and the optical properties of the metal/polymer composite beads were shown to make them useful for scattering contrast agent for biomedical imaging and SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering) substrates.

Le CEA aspire à la création d'un réacteur nucléaire numérique qui nécessite une grande connaissance des écoulements diphasiques. Dans le but d'améliorer notre compréhension des scénarios accidentels, cette thèse s’attache à étudier et à modéliser la dynamique complexe des écoulements à bulles. Les principaux enjeux de la thèse sont d’étudier et de modéliser les forces interfaciales responsables de la migration des bulles ainsi que de proposer un modèle de turbulence à la hauteur de la connaissance actuelle des phénomènes. Afin d'atteindre ces objectifs, une base de données statistique est réalisée à partir d'expériences numériques (simulations numériques directes) d'essaims et de canaux à bulles. Une nouvelle méthode de modélisation des forces interfaciales est développée. Elle révèle une nouvelle force baptisée force de dispersion laminaire qui a un rôle important dans la migration des bulles. Un modèle de cette force est donc proposé. La turbulence dans les écoulements à bulles est constituée de SPT (Single Phase Turbulence), de WIT (Wake Induced Turbulence) et de WIF (Wake Induced Fluctuations). Le SPT est la turbulence issue du cisaillement moyen, le WIT représente les fluctuations temporelles turbulentes issue de la déstabilisation collectives des sillages, et le WIF est fait de fluctuations spatiales engendrées par le sillage moyen. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle forme de modélisation à trois équations de la turbulence, où chaque contribution possède sa propre fermeture. Le modèle à trois équations tensorielles ainsi écrit est complet et peut être dès aujourd'hui utilisé dans un code de calcul moyenné. / The CEA aspires to create a numerical nuclear reactor which requires a great knowledge of two-phase flows. In order to improve our understanding of accidental scenarios, this thesis focuses on studying the complex dynamics of bubbly flows in order to model them. The main challenges of the thesis are to study and model the interfacial forces responsible for the migration of bubbles as well as to propose a model of turbulence in agreement with the current knowledge of the phenomena. In order to achieve these objectives, a statistical database is produced from numerical experiments (direct numerical simulations) of swarms and bubble channels. In this thesis, a new method for interfacial forces modeling is developed. It reveals a new force coined as laminar dispersion force. This force has an important role in bubble migration. It is then modeled and validated on five simulations of bubble channels. Concerning turbulence in bubbly flows, it is comprised of SPT (Single Phase Turbulence), WIT (Wake Induced Turbulence) and WIF (Wake Induced Fluctuations) which characterize distinct phenomena. The SPT is the turbulence produced by the averaged shear, the WIT represent the temporal and turbulent fluctuations due to destabilizations and collective instabilities of wakes, and the WIF reflect the spatial fluctuations generated by the averaged wake and the potential flow around the bubbles. In this thesis, we propose a tensorial three-equations modeling of turbulence, where each contribution has its own closure. The tensorial three-equation model is complete and can be assessed as of now in an averaged calculation code.