Nommé d'après le dieu mythique aux deux visages, Les membranes Janus – des membranes double face qui servent de garde-fous entre deux substances – sont devenues un matériau avec des utilisations industrielles potentielles. Créer deux « visages » distincts sur ces surfaces délicates, cependant, est un processus semé d'embûches.

En appliquant une technique de fabrication de haute technologie commune d'une manière peu commune, des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont découvert une nouvelle façon de déposer chimiquement une seconde face, résultant en des membranes Janus plus robustes et plus précisément structurées que les incarnations précédentes. Récemment décrit dans un article dans Advanced Materials Interfaces, la technologie en instance de brevet pourrait aider à optimiser ou permettre un large éventail de processus industriels, du traitement des eaux usées à la fabrication de biocarburants.

Selon Seth Darling d'Argonne, Janus est aussi le dieu romain des passages, rendant le nom encore plus approprié pour ces membranes qui marquent la frontière entre les substances - transportant des bulles de gaz dans des liquides, par exemple, ou séparer l'huile et l'eau. Darling est scientifique au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) d'Argonne et directeur de l'Institut d'ingénierie moléculaire (IME) du laboratoire, le partenaire basé en Argonne de l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago, dont il est aussi un camarade.

Selon Darling, la recherche sur la membrane Janus fait partie d'un effort plus large à Argonne pour faire avancer un "nouveau cycle de l'eau" pour la société, dans lequel l'eau serait traitée et réutilisée autant de fois que possible avant d'être rejetée dans l'environnement. Il existe toute une bibliothèque de matériaux qui pourraient être utilisés pour créer de nouvelles membranes Janus, note chérie, et chacun aurait des propriétés différentes et offrirait un potentiel pour une myriade de nouvelles applications.

Typiquement, Les membranes Janus sont traitées chimiquement d'un côté d'une membrane et pas de l'autre, en lui donnant deux visages. Mais l'ajout de cette couche peut être difficile à contrôler avec les méthodes actuelles, à la fois en termes de stabilité du revêtement et de profondeur de pénétration.

Les chercheurs d'Argonne se sont tournés vers le dépôt de couche atomique (ALD), une technique couramment utilisée dans la microélectronique et la fabrication de semi-conducteurs, pour améliorer le processus. En utilisant ALD, ils ont déposé une couche d'oxyde d'aluminium attirant l'eau sur une membrane en polypropylène hydrofuge, créer une membrane Janus stable qui pourrait être utilisée, par exemple, en fines bulles d'aération de l'eau.

ALD travaille généralement pour enduire un objet de manière approfondie et uniforme, plutôt que partiellement, comme c'est le but avec une membrane Janus.

"Ce n'était pas intuitif que cette stratégie fonctionne, " Darling dit. " Le truc que nous jouons est d'utiliser une membrane qui a de très petits pores. "

Les minuscules pores emprisonnent les vapeurs qui forment la première couche d'oxyde d'aluminium avant qu'elles n'aient une chance de pénétrer complètement la membrane. En faisant varier la durée et la pression de l'application d'oxyde d'aluminium, l'équipe de recherche a pu produire un revêtement fortement lié sur un côté de la membrane avec un meilleur contrôle que n'importe quelle autre technique.

La capacité de fabriquer des membranes Janus avec ce niveau de précision et de stabilité pourrait introduire de nouveaux niveaux d'efficacité dans une variété de processus industriels. Dans les stations d'épuration, par exemple, où l'aération est utilisée pour aider à décomposer les contaminants, l'optimisation du processus de barbotage pourrait réduire les dépenses énergétiques. Les membranes Janus améliorées pourraient également accélérer l'émulsification ou la désémulsification des mélanges huile-eau, tous deux importants dans une grande variété de procédés de fabrication. Argonne investit dans le développement de technologies de fabrication avancées, tels que des matériaux aux propriétés avancées et des procédés de fabrication plus économes en énergie.

La technique a émergé de ce qui semblait initialement être une expérience infructueuse menée par Ruben Waldman, un étudiant diplômé de l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago. Darling conseille Waldman pour son doctorat.

Waldman étudiait comment l'ALD affecterait les membranes et a remarqué que l'oxyde d'aluminium ne recouvrait pas complètement la face inférieure de la membrane. Après avoir consulté Hao-Cheng Yang, un expert des membranes de Janus et un post-doctorant travaillant avec Darling au CNM, Waldman a décidé de voir si ce dépôt unilatéral pouvait être optimisé pour obtenir la stratification partielle nécessaire pour les membranes Janus.