Membranes nanoporeuses sont des outils précieux pour filtrer les impuretés de l’eau et de nombreuses autres applications. Cependant, il reste encore beaucoup de travail à faire pour perfectionner leurs conceptions.

Récemment, le laboratoire du professeur Amir Haji-Akbari a démontré que l’emplacement exact des trous nanométriques sur la membrane peut faire une grande différence. Les résultats sont publiés dans ACS Nano.

Membrane nanoporeuse. Crédit image : Université de Yale

Ces dernières années, des membranes nanoporeuses à base de graphène, de polymères, de silicium et d’autres matériaux ont été utilisées avec succès pour la séparation des gaz, le dessalement de l’eau, la filtration des virus, la production d’électricité, le stockage du gaz et l’administration de médicaments. Cependant, créer des membranes qui laissent passer toutes les bonnes molécules tout en empêchant l’entrée des molécules indésirables s’est avérée délicate.

Pour le dessalement de l’eau, par exemple, la membrane doit avoir une perméabilité élevée à l’eau tout en bloquant suffisamment les petits solutés ioniques et moléculaires ainsi que d’autres impuretés. Mais les chercheurs ont découvert que l’augmentation de la perméabilité d’une membrane compromet souvent sa sélectivité, et vice versa.

Une approche prometteuse consiste à optimiser la chimie et la géométrie des nanopores isolés pour obtenir la perméabilité et la sélectivité souhaitées, et à placer autant de pores que possible dans une membrane nanoporeuse. Cependant, on ne sait pas exactement comment les pores voisins s’influencent mutuellement.

À l’échelle nanométrique, les molécules interagissant avec les parois des pores peuvent présenter des comportements qui défient les théories conventionnelles. Le laboratoire Haji-Akbari a étudié s’il était possible de concevoir des systèmes de membranes innovants avec une précision et une efficacité accrues en ajustant les nanopores.

Grâce à des simulations informatiques, l’équipe de recherche de Haji-Akbari a découvert que la proximité à l’échelle nanométrique entre les pores peut nuire à la perméabilité à l’eau et au rejet du sel. Plus précisément, ils ont créé des simulations de membranes avec différents modèles de placement des pores, notamment un réseau hexagonal (figure ci-dessus) et un treillis en nid d’abeille (droite). Ce qu’ils ont découvert, c’est que le motif hexagonal, qui permettait une plus grande distance entre les pores, avait une performance de perméabilité/sélectivité supérieure à celle de la membrane à motif en nid d’abeille.

Ces effets s’écartent des théories établies, a déclaré Haji-Akbari.

Un filtre nanopore – impression artistique. Image créée par Alius Noreika à l’aide de Copilot Designer

« Cette hypothèse selon laquelle la résistance des pores est indépendante de la proximité des pores n’est pas correcte », a déclaré Haji-Akbari, professeur adjoint de génie chimique et environnemental. « Clairement, cela dépend de la proximité. »

Leurs découvertes permettent de comprendre comment ces effets accélèrent les mouvements de certains ions à travers les membranes tout en provoquant la décélération d’autres ions. En outre, cela peut contribuer à de meilleures conceptions de membranes nanoporeuses pour des processus de séparation améliorés tels que le dessalement de l’eau et d’autres applications.

Source: Université de Yale