Les canaux d'eau à l'échelle nanométrique que la nature a développés pour transporter rapidement les molécules d'eau dans et hors des cellules pourraient inspirer de nouveaux matériaux pour nettoyer la production chimique et pharmaceutique. Les chercheurs de KAUST ont adapté la structure des couches d'oxyde de graphène pour imiter la forme en sablier de ces canaux biologiques, créer des membranes ultrafines pour séparer rapidement les mélanges chimiques.

"En fabriquant des produits pharmaceutiques et d'autres produits chimiques, séparer des mélanges de molécules organiques est une tâche essentielle et fastidieuse, " dit Shaofei Wang, chercheur postdoctoral au laboratoire Suzana Nuñes à KAUST. Une option pour rendre ces séparations chimiques plus rapides et plus efficaces consiste à utiliser des membranes sélectivement perméables, qui comportent des canaux nanométriques sur mesure qui séparent les molécules par taille.

Mais ces membranes souffrent généralement d'un compromis connu sous le nom de compromis perméance-rejet. Cela signifie que des canaux étroits peuvent séparer efficacement les molécules de différentes tailles, mais ils ont également un débit de solvant trop faible à travers la membrane, et vice versa, ils coulent assez vite, mais fonctionnent mal à la séparation.

Nunes, Wang et l'équipe se sont inspirés de la nature pour surmonter cette limitation. Les aquaporines ont un canal en forme de sablier :large à chaque extrémité et étroit à la partie centrale hydrophobe. Cette structure combine une haute perméabilité aux solvants avec une haute sélectivité. Améliorer la nature, l'équipe a créé des canaux qui s'élargissent et se rétrécissent dans une membrane synthétique.

La membrane est constituée de paillettes d'un nanomatériau de carbone bidimensionnel appelé oxyde de graphène. Les flocons sont combinés en feuilles de plusieurs couches épaisses avec de l'oxyde de graphène. Les molécules de solvant organique sont suffisamment petites pour traverser les canaux étroits entre les flocons pour traverser la membrane, mais les molécules organiques dissoutes dans le solvant sont trop grosses pour emprunter le même chemin. Les molécules peuvent donc être séparées du solvant.

Pour augmenter le débit de solvant sans compromettre la sélectivité, l'équipe a introduit des espaceurs entre les couches d'oxyde de graphène pour élargir les sections du canal, imitant la structure de l'aquaporine. Les espaceurs ont été formés en ajoutant une molécule à base de silicium dans les canaux qui, lorsqu'il est traité avec de l'hydroxyde de sodium, réagit in situ pour former des nanoparticules de dioxyde de silicium. "Les nanoparticules hydrophiles élargissent localement les canaux intercalaires pour améliorer la perméance du solvant, " explique Wang.

Lorsque l'équipe a testé les performances de la membrane avec des solutions de colorants organiques, ils ont découvert qu'il rejetait au moins 90 pour cent des molécules de colorant au-dessus d'un seuil de 1,5 nanomètre. Incorporant les nanoparticules à perméance de solvant améliorée par 10, sans nuire à la sélectivité. L'équipe a également découvert que la résistance et la longévité de la membrane étaient améliorées lorsque des liaisons chimiques croisées se formaient entre les feuilles d'oxyde de graphène et les nanoparticules.

"La prochaine étape sera de formuler le matériau nanoparticulaire d'oxyde de graphène en membranes à fibres creuses adaptées aux applications industrielles, ", dit Nuñes.