Les membranes à pores microscopiques sont utiles pour la filtration de l'eau. L'effet de la taille des pores sur la filtration de l'eau est bien compris, tout comme le rôle des ions, atomes chargés qui interagissent avec la membrane. Pour la première fois, les chercheurs ont décrit avec succès l'impact des molécules d'eau sur d'autres molécules d'eau et sur les ions dans le cadre du mécanisme de filtration. Les chercheurs détaillent un système de rétroaction entre les molécules d'eau qui ouvre de nouvelles possibilités de conception pour des membranes hautement sélectives. Les applications peuvent inclure des filtres antivirus.

La chimie de synthèse est un domaine d'étude lié à la création et à l'exploration de nouvelles substances et matériaux qui n'existent pas dans la nature. Parfois, une propriété ou un comportement spécifique d'un matériau est requis pour une application telle que la fabrication pharmaceutique ou de haute technologie. La chimie de synthèse peut aider à trouver, créer ou affiner des matériaux appropriés. Par exemple, des membranes dites synthétiques à cristaux liquides pourraient être utilisées pour la filtration de l'eau.

Lorsque vous filtrez de l'eau ou d'autres liquides, le but est de séparer les composants chimiques, comme les ions, de votre fluide cible. L'utilisation d'une membrane poreuse peut être la principale méthode pour ce faire. Il est intuitivement évident que les trous dans une surface empêcheront tout ce qui est plus grand que le trou de passer à travers. Mais les membranes avancées comme les membranes synthétiques à cristaux liquides peuvent avoir des pores d'à peine quelques nanomètres, milliardièmes de mètre, de l'autre côté. A ces échelles, la fonctionnalité d'une membrane ne se limite pas à la taille d'un pore.

"La chimie joue un grand rôle dans ce qui se passe à ces petites échelles, " a déclaré le professeur Takashi Kato du Département de chimie et de biotechnologie de l'Université de Tokyo. " Dans le cas de la filtration de l'eau, les pores sont dimensionnés pour ne laisser passer rien de plus gros que l'eau. Cependant, il existe également des forces électrostatiques entre les ions et les pores. Si le matériau est conçu correctement, ces forces servent de barrière supplémentaire aux ions même s'ils sont plus petits que les pores. C'est assez bien compris. Mais il y a encore une autre substance importante en jeu qui peut avoir un impact sur la filtration de l'eau, et c'est en fait la molécule d'eau elle-même."

Le professeur Yoshihisa Harada de l'Institut de physique des solides d'UTokyo et son équipe avaient entrepris de décrire en détail ce qui a longtemps été suspecté mais n'a jamais été expliqué auparavant :comment les molécules d'eau sur le site d'un pore interagissent avec les molécules d'eau et les ions environnants. C'est en fait très significatif à cette échelle minuscule, où même des forces subtiles peuvent avoir un impact sur les performances globales de la membrane de filtration. Il est également extrêmement difficile d'extraire ce type d'informations des systèmes physiques.

"En théorie, nous pourrions utiliser des simulations informatiques pour modéliser avec précision comment l'eau se comporte et interagit pendant la filtration, mais de telles simulations nécessiteraient de grandes quantités de puissance de supercalcul, " dit Harada. " Donc au moins au début, nous nous sommes tournés vers une méthode physique pour explorer ces mécanismes, appelée spectroscopie d'émission de rayons X mous à haute résolution basée sur le synchrotron. C'était en soi un défi extrêmement complexe."

Ce processus fonctionne en prenant des émissions de rayons X d'un synchrotron, un accélérateur de particules, et les diriger vers l'échantillon à analyser. L'échantillon, dans ce cas la membrane et les molécules d'eau, modifie certaines caractéristiques du faisceau de rayons X, avant qu'il ne soit détecté et enregistré par un capteur haute résolution. Les changements imposés au faisceau de rayons X indiquent aux chercheurs ce qui se passe dans l'échantillon avec un degré de précision élevé.

"Ce n'est pas facile, " dit Harada. " En raison de la minceur des membranes, les signaux que nous attendions des molécules d'eau cibles dans les pores sont difficiles à différencier des signaux de fond en raison de la masse des autres molécules d'eau. Nous avons donc dû soustraire les signaux de fond pour rendre nos signaux cibles plus visibles. But now I am pleased that we can present the first-ever description of water acting as part of its host material. By performing this kind of basic science, we hope it provides tools for others to build on."

The team's new models describe how water molecules' interactions are modulated by charged particles in close proximity. In membrane pores, water molecules modulated in a certain way preferentially bond with other modulated water molecules in the volume. A dynamic system like this, where a change in some property causes further change in that same property, is known as a feedback loop. Although they can seem mathematically complicated, these models can help engineers create new and effective filtration methods.

"Liquid crystal membranes already have perfectly sized pores, whereas previous kinds of membranes were more varied, " said Kato. "Combined with our new knowledge, we aim to create membranes that are even more selective about what they let through than anything that has come before. These could do more than purify water; they might be useful in, par exemple, construction of lithium-ion batteries, as electrolytes that transport lithium ions between electrodes, and even as a virus filter. As these membranes are so highly selective, they could be tuned to only block very specific things, meaning they could also be used for long periods before becoming saturated."

There are several areas Harada, Kato and their colleagues wish to explore further. These initial physical experiments will inform computer models, so advanced computer simulations are one such area. But they also wish to look at cell membranes which naturally mediate the passage of ions such as potassium and sodium—studying these could help improve artificial membranes, trop.

"What is exciting here is how chemistry, physics and biology combine to elucidate such seemingly complex things, " said Harada.