Au coeur des pores

La combinaison de l'imagerie neutronique in situ et de modèles numériques ouvre la voie à un nouveau modèle de condensation de vapeur d'eau dans les matériaux poreux

Comment la condensation affecte les matériaux du quotidien

De nombreux matériaux qui nous entourent au quotidien sont exposés à l'humidité ambiante et, par conséquent, à la condensation de l'eau sur leur surface ou au sein de leur structure interne. Cela va des couches de diffusion des piles à combustible et des mousses métalliques pour échangeurs de chaleur aux matériaux de construction et aux systèmes de sol. Un exemple important est celui des systèmes rocheux poreux et fracturés, qui jouent un rôle clé dans les futures solutions de stockage et de transport de l'hydrogène à grande échelle. En raison de leur nature poreuse hétérogène, les formations rocheuses ont une propension particulière à absorber et à retenir les fluides, ce qui influence considérablement leurs propriétés de transport et peut interférer avec l'efficacité de la capacité de stockage et leur fonctionnalité. Une compréhension approfondie des mécanismes sous-jacents à la condensation de l'humidité dans les matériaux poreux est donc essentielle pour de nombreux phénomènes différents.

Modéliser la condensation : un défi complexe

Bien qu'omniprésente dans la vie quotidienne, la condensation est un processus extrêmement complexe, et le développement de modèles pour la décrire de manière adéquate s'est révélé très difficile. Jusqu'à présent, ces modèles divisaient principalement la condensation en deux processus : la diffusion (le déplacement de l'eau le long d'un substrat, comme le grès, dû au mouvement aléatoire et turbulent des molécules d'eau) et l'advection (le mouvement passif de l'eau le long du substrat). La séparation de ces deux termes limitait la précision et la généralisabilité des modèles développés jusqu'alors, et la quête d'une approche unificatrice est devenue de plus en plus urgente.

Dans une étude récente menée par des chercheurs du Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels de l'Université Grenoble-Alpes, du Laboratoire de mécanique multiphysique et multiéchelle de Lille et de l'ILL, l'advection et la diffusion ont été combinées grâce à une approche numérique sophistiquée mais simplifiée. À cette fin, les scientifiques ont défini un nombre de Péclet pour décrire comment le transport de chaleur et de vapeur influence conjointement le déplacement rapide du front liquide le long d'un matériau poreux modèle. Ils ont en outre introduit un nombre capillaire pour décrire de manière exhaustive les différentes forces régissant le liquide en cours de condensation dans les différentes régions des pores.

Observer le déplacement de l'eau dans la pierre grâce à l'imagerie neutronique

L'équipe a pu valider directement son modèle de manière significative, en réalisant des expériences d'imagerie neutronique sur l'instrument NeXT de l'ILL. Les scientifiques ont utilisé des échantillons de grès dans lesquels ils ont injecté de la vapeur d'eau dans des conditions expérimentales précises et bien contrôlées. L'équipe a exploité une propriété bien connue des neutrons : leur forte interaction avec l'hydrogène, qui permet de visualiser avec précision le front d'eau se déplaçant le long des échantillons de grès, fournissant ainsi des informations inaccessibles par d'autres techniques expérimentales.

En réinjectant les résultats expérimentaux dans leur modèle, l'équipe a finalement pu obtenir le meilleur accord possible entre théorie et expérience. Les chercheurs ont notamment constaté que le modèle restait valable pour des substrats hétérogènes et pour ceux comportant des fractures, c'est-à-dire de minuscules fissures, ce qui constitue une excellente représentation des matériaux réels.

Cette étude, récemment publiée dans l'International Journal of Heat and Fluid Flow, et qui s'inscrit dans le cadre de recherches en cours menées depuis 7 ans, illustre avec élégance comment la théorie et les techniques basées sur les neutrons se complètent mutuellement dans la quête de description de phénomènes quotidiens essentiels - même ceux qui peuvent sembler trop complexes à décrire.

Références: Nemati, A., Séchet, P., Lukić, B., & Briffaut, M. (2026). Numerical modelling of heat and mass transfer during vapour condensation in porous media: Insights from neutron tomography. International Journal of Heat and Fluid Flow, 119, 110293. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2026.110293

Instruments ILL: NeXT, PorTo

Contact ILL: Bratislav Lukić

Institutions impliquées dans la recherche: Université Grenoble Alpes, LaMcube