Préparation minutieuse des échantillons, la tomographie électronique et l'analyse quantitative des modèles 3D fournissent des informations uniques sur la structure interne des membranes d'osmose inverse largement utilisées pour le dessalement de l'eau salée, le recyclage des eaux usées et l'utilisation domestique, selon une équipe d'ingénieurs chimistes.

Ces membranes d'osmose inverse sont des couches de matériau avec une couche active de polyamide aromatique qui laisse passer les molécules d'eau, mais filtre 99 à 99,9 pour cent du sel.

« Alors que le stress hydrique continue de croître, de meilleurs matériaux de filtration membranaire sont nécessaires pour améliorer la récupération de l'eau, empêcher l'encrassement, et prolonger la durée de vie des modules de filtration tout en maintenant des coûts raisonnables pour assurer une accessibilité dans le monde entier, " a déclaré Enrique Gomez, professeur de génie chimique, État de Penn. "Savoir à quoi ressemble le matériau à l'intérieur, et comprendre comment cette microstructure affecte les propriétés de transport de l'eau, est crucial pour concevoir des membranes de nouvelle génération avec des durées de vie opérationnelles plus longues qui peuvent fonctionner dans un ensemble diversifié de conditions. »

Gomez et son équipe ont examiné la structure interne du film de polyamide à l'aide d'une tomographie par microscopie électronique à transmission à champ sombre annulaire à angle élevé (HAADF-STEM). L'intensité de l'image de HAADF-STEM est directement proportionnelle à la densité du matériau, permettant la cartographie du matériau à une résolution à l'échelle nanométrique.

"Nous avons constaté que la densité de la couche de polyamide n'est pas homogène, " a déclaré Gomez. "Mais au lieu de cela varie tout au long du film et, dans ce cas, est le plus élevé à la surface."

Cette découverte change la façon dont les ingénieurs pensent à la façon dont l'eau se déplace à travers ce matériau, car la résistance à l'écoulement n'est pas homogène et est la plus élevée à la surface de la membrane.

HAADF-STEM a permis aux chercheurs de construire des modèles 3D de la structure interne de la membrane. Avec ces modèles, ils peuvent analyser les composants structurels et déterminer quelles caractéristiques doivent rester pour que la membrane fonctionne et lesquelles pourraient être manipulées pour améliorer la longévité de la membrane, antifouling, et améliorer la récupération de l'eau.

Une autre caractéristique révélée par HAADF-STEM était la présence, ou plutôt absence, des vides clos signalés précédemment. Les chercheurs pensaient que la structure fine des membranes contiendrait des espaces vides fermés qui pourraient piéger l'eau et modifier les schémas d'écoulement. Les modèles 3D montrent qu'il y a peu de vides fermés dans le matériau de pointe étudié.

« Variations locales de porosité, la densité et la surface conduiront à une hétérogénéité des flux au sein des membranes, de telle sorte que la chimie de connexion, microstructure et performances des membranes pour l'osmose inverse, ultrafiltration, filtration des virus et des protéines, et les séparations de gaz nécessiteront des reconstructions 3D à partir de techniques telles que la tomographie électronique, " rapportent les chercheurs dans un récent numéro de Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les chercheurs aimeraient pousser la résolution de cette technique à une résolution inférieure à 1 nanomètre.

"Nous ne savons pas s'il existe des pores sub-nanométriques dans ces matériaux et nous voulons pouvoir pousser nos techniques pour voir si ces canaux existent, " a déclaré Gomez. " Nous voulons également cartographier la façon dont le flux se déplace à travers ces matériaux pour connecter directement comment la microstructure affecte le débit d'eau, en marquant ou en colorant la membrane avec des composés spéciaux qui peuvent traverser la membrane et être visualisés au microscope électronique.