L'eau est peut-être la ressource naturelle la plus critique de la Terre. Compte tenu de la demande croissante et des ressources en eau de plus en plus tendues, les scientifiques recherchent des moyens plus innovants d'utiliser et de réutiliser l'eau existante, ainsi que de concevoir de nouveaux matériaux pour améliorer les méthodes de purification de l'eau. Les membranes polymères semi-perméables créées synthétiquement utilisées pour l'élimination des solutés contaminants peuvent fournir un niveau de traitement avancé et améliorer l'efficacité énergétique du traitement de l'eau ; cependant, les lacunes existantes dans les connaissances limitent les avancées transformatrices de la technologie des membranes. Un problème fondamental est d'apprendre comment l'affinité, ou l'attirance, entre les solutés et les surfaces membranaires a un impact sur de nombreux aspects du processus de purification de l'eau.

« L'encrassement (où les solutés adhèrent aux membranes et s'encrassent) réduit considérablement les performances et constitue un obstacle majeur dans la conception de membranes pour traiter l'eau produite, " dit M. Scott Shell, professeur de génie chimique à l'UC Santa Barbara, qui effectue des simulations informatiques de matériaux mous et de biomatériaux. « Si nous pouvons fondamentalement comprendre comment l'adhésivité des solutés est affectée par la composition chimique des surfaces membranaires, y compris la structuration possible des groupes fonctionnels sur ces surfaces, alors nous pouvons commencer à concevoir la prochaine génération, des membranes résistantes à l'encrassement pour repousser une large gamme de types de solutés."

Maintenant, dans un article publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS), Shell et l'auteur principal Jacob Monroe, un doctorat récent. diplômé du département et ancien membre du groupe de recherche de Shell, expliquer la pertinence des caractérisations macroscopiques de l'affinité soluté-surface.

"Les interactions soluté-surface dans l'eau déterminent le comportement d'une vaste gamme de phénomènes physiques et de technologies, mais sont particulièrement importants dans la séparation et la purification de l'eau, où souvent de nombreux types distincts de solutés doivent être retirés ou capturés, " dit Monroe, maintenant chercheur postdoctoral au National Institute of Standards and Technology (NIST). "Ce travail s'attaque au grand défi de comprendre comment concevoir des membranes de nouvelle génération capables de gérer d'énormes volumes annuels de sources d'eau hautement contaminées, comme ceux produits dans les champs pétrolifères, où la concentration de solutés est élevée et leurs chimies assez diverses."

Les solutés sont souvent caractérisés comme couvrant une gamme allant de l'hydrophile, qui peut être considéré comme aimant l'eau et se dissolvant facilement dans l'eau, à hydrophobe, ou n'aimant pas l'eau et préférant se séparer de l'eau, comme l'huile. Les surfaces couvrent la même plage; par exemple, l'eau perle sur les surfaces hydrophobes et s'étale sur les surfaces hydrophiles. Les solutés hydrophiles aiment coller aux surfaces hydrophiles, et les solutés hydrophobes adhèrent aux surfaces hydrophobes. Ici, les chercheurs ont corroboré l'attente selon laquelle « comme s'en tient à aimer, " mais aussi découvert, étonnamment, que le tableau complet est plus complexe.

"Parmi le large éventail de chimies que nous avons considéré, nous avons trouvé que les solutés hydrophiles aiment aussi les surfaces hydrophobes, et que les solutés hydrophobes aiment aussi les surfaces hydrophiles, bien que ces attractions soient plus faibles que celles d'aimer aimer, " a expliqué Monroe, référencer les huit solutés que le groupe a testés, allant de l'ammoniac et de l'acide borique, à l'isopropanol et au méthane. Le groupe a sélectionné des solutés à petites molécules que l'on trouve généralement dans les eaux de production pour fournir une perspective fondamentale sur l'affinité soluté-surface.

Le groupe de recherche informatique a développé un algorithme pour restructurer les surfaces en réorganisant les groupes chimiques de surface afin de minimiser ou de maximiser l'affinité d'un soluté donné avec la surface, Ou bien, maximiser l'affinité de surface d'un soluté par rapport à celle d'un autre. L'approche s'est appuyée sur un algorithme génétique qui a « évolué » les motifs de surface d'une manière similaire à la sélection naturelle, les optimiser vers un objectif de fonction particulier.

Grâce à des simulations, l'équipe a découvert que l'affinité de surface était faiblement corrélée aux méthodes conventionnelles d'hydrophobie des solutés, comme la solubilité d'un soluté dans l'eau. Au lieu, ils ont trouvé un lien plus fort entre l'affinité de surface et la façon dont les molécules d'eau à proximité d'une surface ou à proximité d'un soluté modifient leurs structures en réponse. Dans certains cas, ces eaux voisines ont été contraintes d'adopter des structures défavorables; en se rapprochant des surfaces hydrophobes, les solutés pourraient alors réduire le nombre de ces molécules d'eau défavorables, fournissant une force motrice globale pour l'affinité.

"L'ingrédient manquant était de comprendre comment les molécules d'eau près d'une surface sont structurées et se déplacent autour d'elle, " dit Monroe. " En particulier, les fluctuations structurelles de l'eau sont accentuées près des surfaces hydrophobes, par rapport à l'eau en vrac, ou l'eau loin de la surface. Nous avons constaté que les fluctuations conduisaient à la viscosité de tous les petits types de solutés que nous avons testés. "

Le résultat est significatif car il montre qu'en concevant de nouvelles surfaces, les chercheurs devraient se concentrer sur la réponse des molécules d'eau qui les entourent et éviter d'être guidés par les mesures conventionnelles d'hydrophobie.

Sur la base de leurs découvertes, Monroe et Shell disent que les surfaces composées de différents types de chimies moléculaires peuvent être la clé pour atteindre de multiples objectifs de performance, comme empêcher un assortiment de solutés d'encrasser une membrane.

"Les surfaces avec plusieurs types de groupes chimiques offrent un grand potentiel. Nous avons montré que non seulement la présence de différents groupes de surface, mais leur arrangement ou modèle, influencer l'affinité soluté-surface, " dit Monroe. " Juste en réorganisant le modèle spatial, il devient possible d'augmenter ou de diminuer significativement l'affinité de surface d'un soluté donné, sans changer le nombre de groupes de surfaces présents."

Selon l'équipe, leurs résultats montrent que les méthodes informatiques peuvent contribuer de manière significative aux systèmes membranaires de nouvelle génération pour le traitement durable de l'eau.

"Ce travail a fourni un aperçu détaillé des interactions à l'échelle moléculaire qui contrôlent l'affinité soluté-surface, " dit Shell, la chaire du fondateur John E. Myers en génie chimique. "De plus, il montre que la structuration de surface offre une stratégie de conception puissante dans l'ingénierie, les membranes sont résistantes à l'encrassement par une variété de contaminants et peuvent contrôler avec précision la façon dont chaque type de soluté est séparé. Par conséquent, il offre des règles de conception moléculaire et des cibles pour les systèmes membranaires de nouvelle génération capables de purifier les eaux hautement contaminées de manière économe en énergie. »

La plupart des surfaces examinées étaient des systèmes modèles, simplifiée pour faciliter l'analyse et la compréhension. Les chercheurs disent que la prochaine étape naturelle sera d'examiner des surfaces de plus en plus complexes et réalistes qui imitent plus fidèlement les membranes réelles utilisées dans le traitement de l'eau. Une autre étape importante pour rapprocher la modélisation de la conception des membranes sera d'aller au-delà de la simple compréhension du degré d'adhérence d'une membrane pour un soluté et de calculer les vitesses auxquelles les solutés se déplacent à travers les membranes.