Inspiré des membranes des tissus corporels des organismes vivants, Les scientifiques ont combiné des nanofibres d'aramide utilisées dans le Kevlar avec du nitrure de bore pour construire une membrane permettant de récolter l'énergie des océans, à la fois solide comme l'os et adaptée au transport des ions comme le cartilage. La recherche, publié le 18 décembre dans la revue Joule, surmonte les principaux défis de conception des technologies qui exploitent l'énergie osmotique (différences de gradient de pression et de salinité entre l'eau douce et l'eau de mer) pour générer une forme d'énergie renouvelable respectueuse de l'environnement et largement disponible.

Les générateurs d'énergie osmotique varient moins d'un jour à l'autre que les fermes solaires et éoliennes, les rendant plus fiables que ces sources d'énergie verte. Cependant, l'argile, oxyde de graphène, MXene, et les nanomatériaux de bisulfure de molybdène couramment utilisés dans les membranes ont tendance à s'effondrer et à se désintégrer dans l'eau.

Alors que les nanofeuillets fabriqués à partir de nitrure de bore se sont récemment révélés prometteurs, restant stable lorsque les températures augmentent et ne réagissant pas facilement avec d'autres substances, les membranes en nitrure de bore seul ne sont pas non plus assez robustes pour résister longtemps à l'eau, commencent rapidement à fuir des ions à mesure qu'ils développent des fissures microscopiques.

« De nouvelles membranes composites avancées en nitrure de bore dotées de propriétés nouvelles et robustes résoudront ce problème, qui est actuellement très demandé, " dit Weiwei Lei, le scientifique principal de ce projet en Australie, chercheur principal à l'Institute for Frontier Materials (IFM) de l'Université Deakin.

"L'énergie osmotique représente une ressource énorme pour l'humanité, mais sa mise en œuvre est fortement limitée par la disponibilité des membranes sélectives d'ions hautes performances, " dit Nicolas Kotov, le scientifique principal aux États-Unis, professeur d'ingénierie à l'Université du Michigan.

Lei, Kotov, et leurs collègues ont entrepris de résoudre ce problème en se tournant vers les tissus des créatures vivantes comme modèle, observant que de nombreuses variétés différentes de membranes sélectives d'ions hautes performances sont nécessaires pour faciliter les réactions biologiques dans leurs corps. Ils ont noté que tandis que les tissus mous, comme le cartilage, membranes rénales, et membranes basales, permettre aux ions de passer facilement, ils sont faibles et fragiles. En revanche, les os sont exceptionnellement forts et rigides, mais sans l'avantage d'un transport d'ions efficace.

« Nous avons trouvé un moyen de « marier » ces deux types de matériaux pour obtenir les deux propriétés en même temps, utilisant des nanofibres d'aramide qui fabriquent des matériaux fibreux flexibles similaires au cartilage et du nitrure de bore qui rend les plaquettes similaires à l'os, " dit Kotov.

"Nos membranes nanocomposites bio-inspirées présentent certains avantages tels qu'une grande robustesse et être plus faciles à fabriquer et offrant une plus grande multifonctionnalité que les membranes constituées d'un seul matériau, " dit Lei.

Les chercheurs ont construit la membrane hybride en utilisant un assemblage couche par couche, une méthode pour recréer des composites complexes en couches qui fonctionne particulièrement bien pour les technologies de l'eau. Ils ont appliqué une pression sur un réservoir de la membrane aramide-nitrure de bore dans une solution de chlorure de sodium pour observer son courant et l'ont comparé avec d'autres membranes en nanomatériaux, constatant que l'étroitesse de ses canaux lui permet d'attirer les cations sodium et de repousser les anions chlorure mieux que d'autres composites poreux. Lei, Kotov, et ses collègues ont également rincé à plusieurs reprises la membrane dans du chlorure de sodium pendant vingt cycles pour surveiller sa stabilité, constatant qu'il continuait à fonctionner de manière optimale après 200 heures.

"Notre nouvelle membrane composite a une épaisseur réglable et une grande stabilité à des températures allant de 0 à 95 degrés Celsius et à un pH de 2,8 à 10,8, " dit Lei.

"Les composants peu coûteux et la longévité des membranes rendent la récolte de l'énergie des océans réaliste, " dit Dan Liu, l'auteur principal de l'article, également à Deakin IFM.

Tout à fait, les chercheurs ont conclu que la membrane aramide-nitrure de bore est bien adaptée pour résister à un large éventail de conditions auxquelles ils s'attendraient à ce qu'elle soit rencontrée tout en générant de l'énergie osmotique. Ils pensent également que la technologie est hautement évolutive, d'autant plus que ses deux composants sont peu coûteux. Les nanofibres d'aramide peuvent même être récupérées à partir de tissu Kevlar mis au rebut.

"Ce sont les membranes les plus performantes connues à ce jour, " dit Kotov. " Cependant, ils ne sont pas encore entièrement optimisés. Des performances encore meilleures peuvent potentiellement être obtenues."