Une nouvelle classe de membranes promet des applications très intéressantes en séparation de matériaux, que ce soit en biotechnologie ou en purification de l'eau. La compréhension théorique de ces membranes polymères est, cependant, encore incomplète. Deux chercheurs de Helmholtz-Zentrum Hereon et de l'Université de Göttingen présentent maintenant une étude, publié dans la célèbre revue scientifique Avis sur les produits chimiques , qui identifie ces lacunes dans les connaissances et montre des approches prometteuses pour les résoudre.

Que ce soit en dessalement, purification de l'eau ou CO 2 séparation, les membranes jouent un rôle central dans la technologie. Le Helmholtz-Zentrum Hereon travaille depuis plusieurs années sur une nouvelle variante :il s'agit de polymères spéciaux qui forment des pores de même taille à l'échelle nanométrique. Les matériaux à séparer, comme certaines protéines, peut littéralement glisser à travers ces pores. Parce que ces couches de séparation sont très fines et donc très fragiles, ils sont liés à une structure spongieuse avec des pores beaucoup plus grossiers, donner à la structure la stabilité mécanique nécessaire.

"Un aspect particulier est que ces structures se forment dans un acte d'auto-organisation, " dit le professeur Volker Abetz, directeur du Hereon Institute of Membrane Research et professeur de chimie physique à l'Université de Hambourg. "Contrairement aux membranes comparables, qui sont partiellement fabriqués par un procédé complexe utilisant des accélérateurs de particules, cela promet une production relativement peu coûteuse. » Parce que les membranes polymères combinent un débit élevé avec une forte sélectivité de séparation, ils pourraient être intéressants à l'avenir pour la biotechnologie et la production pharmaceutique, mais aussi dans le traitement des eaux usées, comme par exemple, pour filtrer les colorants indésirables.

Avancées grâce aux simulations informatiques

Les experts ont fait des progrès considérables dans le développement de ces nouvelles membranes ces dernières années. Cependant, les adapter à des applications spécifiques, une compréhension théorique globale fait encore défaut. "Jusque là, il y a eu beaucoup d'essais et d'erreurs ainsi que des sentiments instinctifs impliqués, " dit Abetz. " Maintenant, il devrait s'agir de comprendre fondamentalement ces systèmes autant que possible. " Pour cette raison, Marcus Muller, professeur de physique théorique à l'Université de Göttingen et Volker Abetz ont publié un article de synthèse dans la revue scientifique Avis sur les produits chimiques . Le travail résume l'état actuel des connaissances dans le domaine des membranes polymères et identifie les approches de recherche les plus prometteuses qui peuvent combler les lacunes existantes dans les connaissances.

Les simulations informatiques jouent ici un rôle important :elles peuvent être utilisées pour modéliser numériquement en détail ce qui se passe pendant le processus de fabrication. "Le problème est que ces processus sont extrêmement complexes, et nous avons affaire à des échelles de longueur et de temps complètement différentes, " explique Müller. " Et nous n'avons pas encore été en mesure de couvrir toutes ces échelles avec une seule description. " Il y a, cependant, modèles informatiques qui peuvent simuler des aspects individuels. Alors que certains de ces modèles décrivent le comportement de molécules de polymère individuelles, d'autres reproduisent la membrane sur une grille beaucoup plus grossière. Ces différentes approches n'ont été jusqu'à présent que très faiblement liées, et décrire la séquence temporelle des divers processus pose également un défi. Pour une compréhension plus approfondie, il serait avantageux que les modèles soient mieux interconnectés qu'ils ne le sont actuellement.

Membranes polymères de la planche à dessin

"La fabrication d'une membrane polymère peut être comparée à la fabrication d'un soufflé, " dit Müller. " Les deux visent à stabiliser les minuscules pores qui comptent, avant que tout ne s'effondre à nouveau. » L'un des aspects qui n'est pas clair est de savoir comment et si la formation simultanée de la couche de séparation et de la couche de support s'influence l'une l'autre et comment cela peut être contrôlé. Une autre question concerne la manière dont les pores peuvent être disposés et alignés de telle sorte qu'ils permettent le débit le plus élevé possible à travers la membrane, critère déterminant pour la rentabilité de la membrane. les ordinateurs et les modèles s'améliorent de plus en plus, et qui devrait permettre des progrès considérables, " ajoute Müller. " Nous pouvons accéder au supercalculateur JUWELS à Jülich, qui est l'un des plus rapides au monde. » Les algorithmes d'apprentissage automatique pourraient également aider à l'avenir; il pourrait y avoir un potentiel non découvert ici.

Non seulement la théorie est nécessaire, toutefois. Il y a aussi du travail à faire dans les expériences. "Une grande inconnue, par exemple, est l'humidité, " explique Abetz. " Nous savons qu'il peut influencer de manière décisive la formation d'une membrane polymère. Mais pour mieux comprendre cette influence, nous avons besoin de tests systématiques. » Si des obstacles comme ceux-ci peuvent être surmontés, il rapprochera un peu plus l'objectif de recherche à long terme :« Notre rêve est de concevoir et d'optimiser une membrane polymère pour une application spécifique en tant que « jumeau numérique » sur l'ordinateur d'abord afin qu'elle puisse ensuite être produite de manière ciblée dans le laboratoire, " dit Abetz. " Et peut-être pourrions-nous même découvrir des structures entièrement nouvelles sur l'ordinateur, ceux que nous n'aurions jamais rencontrés dans l'expérience.