L'accès à l'eau potable est considéré comme l'un des principaux défis du 21e siècle, et les scientifiques viennent d'ouvrir la voie à de nouveaux procédés de filtration. Inspiré des protéines cellulaires, ils ont développé des membranes avec des canaux artificiels asymétriques à l'intérieur, à partir de laquelle ils ont pu observer de l'eau « chirale »1. La chiralité est une propriété qui favorise l'écoulement des matières indispensables à la filtration. Ce travail, menée par des chercheurs CNRS de l'Institut Européen des Membranes (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier) et du Laboratoire CNRS de Biochimie Théorique, en collaboration avec des scientifiques américains, a été publié dans Avancées scientifiques le 23 mars 2018.

D'une volonté de développer des technologies de rupture pour la filtration et la purification de l'eau, des chercheurs ont développé des membranes à canaux artificiels inspirées des protéines qui forment les pores des membranes biologiques :les aquaporines. Grâce à une technique spectroscopique innovante, ils ont pu constater que, dans l'espace très restreint de ces canaux, les molécules d'eau s'organisent de manière très régulière, dans une structure filaire moléculaire orientée :l'eau est devenue « chirale ».

Identifier l'eau chirale dans les canaux artificiels de ces membranes lipidiques, dans des conditions physiologiques proches des pores naturels, était un tour de force. Cet arrangement très régulier de molécules avait déjà été observé dans des structures solides de composés naturels ou artificiels, mais est difficile à observer en solution, où les molécules d'eau sont très mobiles.

Cette disposition en « fil » des molécules d'eau s'explique par la polarité de la molécule d'eau conjuguée à l'asymétrie des canaux. L'eau, via des liaisons hydrogène, interagit avec les parois des canaux artificiels. Dans les superstructures résultantes, les molécules formant les canaux transmettent leur caractère chiral aux fils d'eau, et donner aux molécules d'eau une direction préférée. D'où l'hypothèse des chercheurs :cette orientation collective des molécules d'eau joue probablement un rôle important dans l'activation ou la sélection du transport à travers la membrane.

Et en effet, expériences en laboratoire, soutenu par des calculs de dynamique moléculaire, ont confirmé que ces arrangements chiraux présentent des propriétés de transfert plus importantes que leurs équivalents non chiraux, où l'eau présente un arrangement moléculaire aléatoire. En d'autres termes, la chiralité de l'eau entraîne une plus grande mobilité dans les nano-canaux, dynamiser les transports de matières, avec un apport d'énergie extérieur réduit.

Cette découverte ouvre un vaste domaine d'application pour la filtration et la purification de l'eau. Actuellement, les chercheurs développent des membranes d'osmose inverse, couramment utilisé pour dessaler l'eau de mer. Ils ont déjà obtenu des résultats prometteurs en termes d'amélioration de la perméabilité et de la sélectivité des membranes, qui sont tous deux des critères indispensables pour la filtration.