Dans les villes et les usines de fabrication à grande échelle, une fuite d'eau dans un réseau complexe de canalisations peut prendre énormément de temps et d'efforts à détecter, car les techniciens doivent démonter de nombreuses pièces pour localiser le problème. L'American Water Works Association indique que près d'un quart de million de ruptures de conduites d'eau se produisent chaque année aux États-Unis, coûtant aux services publics d'eau environ 2,8 milliards de dollars par an.

Une équipe de l'Université de Washington souhaite simplifier le processus de découverte de fuites préjudiciables en développant un papier "intelligent" capable de détecter la présence d'eau. Le papier, lacé avec des nanomatériaux conducteurs, peut être utilisé comme interrupteur, allumer ou éteindre une lumière LED ou un système d'alarme indiquant l'absence ou la présence d'eau.

Les chercheurs ont décrit leur découverte dans un article paru dans le numéro de novembre du Journal de la chimie des matériaux A .

"La détection de l'eau est très difficile à faire en raison de la nature polaire de l'eau, et ce qui est utilisé maintenant est très coûteux et peu pratique à mettre en œuvre, " a déclaré l'auteur principal Anthony Dichiara, un professeur adjoint de l'UW en sciences et en génie des bioressources à l'École des sciences de l'environnement et des forêts. "Cela a conduit à la raison de poursuivre ce travail."

Avec Dichiara, une équipe d'étudiants de premier cycle de l'UW du programme Bioresource Science and Engineering a intégré avec succès des nanomatériaux dans du papier qui peut conduire l'électricité et détecter la présence d'eau. A commencer par la pulpe, ils ont manipulé les fibres de bois et soigneusement mélangées dans des nanomatériaux en utilisant un procédé standard pour la fabrication du papier, mais jamais auparavant utilisé pour faire des papiers de détection.

La découverte que le papier pouvait détecter la présence d'eau est venue d'un accident fortuit. Des gouttelettes d'eau sont tombées sur le papier conducteur que l'équipe avait créé, provoquant l'extinction du voyant LED indiquant la conductivité. Bien qu'au début ils pensaient avoir ruiné le journal, les chercheurs ont réalisé qu'ils avaient plutôt créé un papier sensible à l'eau.

Quand l'eau frappe le papier, ses cellules fibreuses gonflent jusqu'à trois fois leur taille d'origine. Cette expansion déplace les nanomatériaux conducteurs à l'intérieur du papier, ce qui à son tour perturbe les connexions électriques et provoque l'extinction du voyant LED.

Ce processus est entièrement réversible, et comme le papier sèche, le réseau conducteur se reforme pour que le papier puisse être utilisé plusieurs fois.

Les chercheurs envisagent une application dans laquelle une feuille de papier conducteur avec une batterie pourrait être placée autour d'un tuyau ou sous un réseau complexe de tuyaux qui se croisent dans une usine de fabrication. Si un tuyau fuit, le papier sentirait la présence d'eau, puis envoyez un signal électrique sans fil à un centre de contrôle central afin qu'un technicien puisse rapidement localiser et réparer la fuite.

En outre, le papier est si sensible qu'il peut également détecter des traces d'eau dans des mélanges de divers liquides. Cette capacité à distinguer l'eau des autres molécules est particulièrement précieuse pour les industries du pétrole et des biocarburants, où l'eau est considérée comme une impureté.

"Je pense que pour les applications à grande échelle, c'est tout à fait faisable, " a déclaré Dichiara. " Le prix des nanomatériaux va baisser, et nous utilisons déjà un procédé de fabrication de papier établi. Vous ajoutez simplement ce que nous avons développé au bon endroit et au bon moment dans le processus."

Les nanomatériaux ajoutés au papier ont été conçus de manière à pouvoir être incorporés lors de la fabrication conventionnelle du papier sans avoir à modifier le processus. Ces matériaux sont constitués de carbone extrêmement conducteur. Parce que le carbone se trouve dans tous les êtres vivants, presque tous les matériaux naturels peuvent être brûlés pour faire du charbon de bois, puis les atomes de carbone peuvent être extraits pour synthétiser les matériaux. L'équipe a expérimenté la fabrication de nanomatériaux à partir de peaux de banane, l'écorce des arbres et même les excréments d'animaux.

Ils ont également essayé de fabriquer des nanomatériaux à partir de déchets de bois pour montrer que l'ensemble du processus de fabrication du papier peut être complété par des matériaux bon marché, matériaux naturels.

« Maintenant, nous avons un processus durable où tout provient de la pâte et du papier, et nous pouvons en faire des matériaux conducteurs, " dit Dichiara.

Le papier, texture ferme et lisse, est une couleur noire riche en raison des nanomatériaux (carbone du charbon de bois). Les disques de 8 pouces fabriqués en laboratoire sont des prototypes; l'équipe espère tester ensuite le procédé sur une machine à papier de taille industrielle, qui nécessitera plus de nanomatériaux et de pâte à papier.