MARGIN

MAgnetic Resonance studies of Gas diffusion In Nanoporous materials

PUBLICATIONS

  • K. Safiullin et al 2020 J. Phys.: Condens. Matter 33 065101We report on the first observation of 3He diffusion anisotropy in 3He–4He liquid mixture confined in ordered aerogels at 1.5–4.2 K temperatures.Link
  • A. Stanislavovas et al 2021 J. Phys.: Condens. Matter 33 195805The results of 3He gas pulsed NMR spin–lattice relaxation study in high-porosity (84.9%–97.9%) nematically ordered Al2O3 aerogels at 1.5 and 4.2 K are presented.Link

MEDIA

Oct. 17, 2019 – A post by the Russian Science Foundation puts a highlight on the MRS Lab team and provides a link to a brief description of the project.

Dec. 3, 2019 – Launching of the AAPG19 projects in condensed and dilute matter physics. Scientific coordinators meet at the ANR and P.-J. Nacher gives a brief presentation of MARGIN.

EVENTS

APMRA 2020 – Planned to be held in Kazan (Sept. 28 – Oct. 4) the XXII International Youth Scientific School “Actual problems of magnetic resonance and its application” is rescheduled for Fall 2021, as a result of the Covid-19 pandemic.

MARGIN is a 3-year collaborative research project (2020-2023) that is co-funded by the French National Research Agency (ANR) and the Russian Science Foundation (RSF).

 

Generic Call for Proposals: AAPG 2019
Project type: PCRI
ANR contract: ANR-19-CE30-0023-01
RSF project: 20-42-09023

 

Partners
Scientific coordinators
Laboratoire Kastler Brossel (LKB)
UMR8552, ENS – PSL Université / CNRS / Sorbonne Université / Collège de France, Paris
Link to the LKB team homepage
Dr Pierre-Jean Nacher
Magnetic Radiospectroscopy Laboratory (MRS Lab)
Department of Quantum Electronics and Radiospectroscopy, Kazan Federal University (Volga Region), Kazan
Link to the MRS Lab homepage
Pr Murat Tagirov

 

Project summary

In modern nanoporous materials, gas diffusivity correlates with their efficiency for gas separation and storage, or for catalysis. It also correlates with their relevance for investigations of helium superfluid phases and phase transitions with perturbing solid impurities, or confining boundaries since these systems essentially behave as low-density gases of quasi-particles at very low temperatures. More generally, gas and liquid diffusion measurement techniques are widely used for the characterization of porous media. Nuclear magnetic resonance (NMR) provides a wealth of non-invasive methods for measuring fluid transport in various kinds of porous systems. Gas diffusion NMR is a mandatory tool to address specific problems, such as finding mean free paths in aerogels and characterizing pore sizes and structure.

A precise understanding of all physical processes involved during diffusion measurements is essential to correctly interpret NMR diffusion results obtained in porous media. Gas diffusion in porous media near room temperature is frequently described by diffusion models which take into account the possible presence of adsorbed layers and the spatial structure of pores. However, usual phenomenological models of gas diffusion fail to account for observations made with strongly adsorbed gases or at low temperatures, because the influence of the attractive wall potential on molecular gas dynamics is overlooked in standard diffusion models. Preliminary results obtained for ³He gas diffusion in an ordered aerogel by the MRS Lab at 4.2 K revealed a significant deviation from the expected behavior, attributed to the increased effect of the aerogel adsorption potential on ³He gas diffusion at low temperatures. This effect of the adsorption potential is believed to manifest itself in an increase of the gas density and in changes of atomic trajectories near the walls in the gas phase.

Theoretical background and experimental data lack for gases in porous systems at low temperatures or low gas densities, and the MARGIN project is designed to address both issues. It aims at discriminating between confinement and wall adsorption effects through NMR investigations of gas diffusion in several well-characterized model porous media over a wide range of temperatures and gas densities for which different adsorption regimes are expected, from no adsorption to multilayer adsorption through Henry’s, Langmuir’s and BET’s regimes. Experimentally, ³He will be mainly used as a probe gas and apparent diffusion will be measured in porous systems such as ordered aerogels, nanopowders, etc., at low temperatures in MRS Lab (Kazan) and at high temperatures in LKB (Paris) using hyperpolarisation methods with laser optical pumping for high sensitivity. Complementary xenon gas diffusion experiments above 170 K are planned in the same porous media to probe diffusion of atoms with stronger adsorption potentials than for ³He. Numerical simulations of diffusion and nuclear spin dynamics will be also intensely used to reliably interpret experimental results and draw strong conclusions. MARGIN aims at demonstrating that NMR could become one of the accepted characterization tools for gas diffusion, instead of being limited to assessing diffusion and relaxation in liquids, inside porous media.

Besides the achievement of its main objectives, namely the detailed characterization of gas diffusion mechanisms in porous media, the MARGIN project is expected to yield data and results which might be relevant for different open questions in fundamental physics. One of them is related to recently revisited theories of motion-induced magnetic relaxation and frequency shifts in fluids, beyond the standard Redfield approach. On this topic, the planned NMR measurements in samples with near-planar confinement might provide a benchmark for these theories, which have been triggered by new generations of EDM search experiments.

Résumé du projet

La diffusivité des gaz dans les matériaux nanoporeux en conditionne l’efficacité pour la séparation et le stockage, ou encore la catalyse, ainsi que la pertinence pour l’étude des phases superfluides d’hélium en milieu confiné car ces systèmes se comportent comme des gaz de quasi-particules à très basse température. Plus généralement, les mesures de diffusion ou écoulement de gaz et liquides sont couramment utilisées pour caractériser les matériaux poreux. La résonance magnétique nucléaire (RMN) fournit un ensemble de méthodes non-invasives pour mesurer le transport dans les fluides au sein de divers poreux, et la mesure par RMN de la diffusion de gaz est indispensable à la caractérisation du libre parcours moyen dans les aérogels, de la taille des pores et de la structure.

Une compréhension précise des processus en jeu lors de mesures de diffusion est essentielle pour interpréter les mesures de diffusion par RMN dans les poreux. Les modèles habituellement utilisés à température ambiante considèrent la présence de couche(s) adsorbées et la structure spatiale des pores, et échouent pourtant à expliquer les observations faites à basse température car ils négligent l’influence de l’attraction des parois sur les trajectoires atomiques dans le gaz. Des mesures préliminaires de diffusion à 4.2 K d’³He gazeux au laboratoire MRS dans un aérogel orienté ont montré une différence importante avec le comportement attendu, attribuée à une attraction accrue à basse température qui augmente la densité et affecte les trajectoires atomiques près des parois.

Les modèles théoriques et les données expérimentales manquent pour ces situations, et le projet MARGIN est destiné à élucider ces questions. Il vise à distinguer entre le confinement près des parois et l’adsorption par des mesures RMN de diffusion gazeuse dans une série de poreux bien caractérisés, dans une large gamme de températures et densités de gaz afin d’explorer différent régimes d’adsorption (Henry, Langmuir, BET). L’³He sera utilisé pour des mesures RMN de coefficient de diffusion apparent dans des systèmes poreux modèles (des aérogels anisotropes, des nanopoudres, etc.) à basse température (MRS Lab, Kazan) et 300 K (LKB, Paris) où le gaz sera hyperpolarisé par pompage optique laser afin d’atteindre la sensibilité nécessaire pour les mesures à basse densité. Des mesures complémentaires de diffusion de xénon au-dessus de 170 K seront faites dans les mêmes matériaux pour tester la diffusion d’atomes plus fortement attirés par les parois que ³He. Des simulations numériques de la diffusion gazeuse et de la dynamique RMN seront systématiquement menées pour valider l’interprétation des données et en tirer des conclusions fortes. MARGIN vise à démontrer que la RMN peut devenir une mesure de référence de la diffusion gazeuse dans les poreux, au lieu d’être limitée à la mesure de transport et de relaxation dans les liquides dans ces matériaux.

Au-delà de ses objectifs principaux, MARGIN fournira un ensemble de résultats qui pourraient être utiles à certaines études relevant de questions ouvertes en physique fondamentale. L’une d’elle concerne la théorie récemment reconsidérée de la relaxation magnétique et des déplacements de fréquences induits par le mouvement atomique dans les fluides, au-delà de l’approche standard de Redfield. Sur ce sujet, les mesures RMN prévues dans des échantillons avec confinement très anisotrope pourraient fournir un ensemble de données pour tester ces théories, qui ont été motivées par de nouvelles générations de mesures de moment dipolaire anormal (EDM).

RECRUITMENT

Post-doc position in Paris – Closed on Sept. 16, 2021

PROJECT NEWS

Sept. 16, 2021 – Recruitment is successfully completed in Paris
May 28, 2021 – Small business meeting
Dec, 2020 – Recruitment starts in Paris
Oct, 2020 – COVID-19, lockdown in France
Sept. 17, 2020 – Small business meeting
July 7, 2020 – Delivery of DMP draft to the ANR
July 2, 2020 – Small business meeting
June 18, 2020 – 6-m extension of the ANR grant
June 1, 2020 – Consortium agreement ready for signing
March, 2020 – COVID-19, lockdowns in France and Tatarstan
Jan. 23, 2020 – Small business meeting
Jan. 22, 2020 – Kick-off meeting
Jan. 10, 2020 – Scientific launch of MARGIN

 

MARGIN STORY

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