Un nouveau système développé par les ingénieurs du MIT pourrait permettre de contrôler la façon dont l'eau se déplace sur une surface, en utilisant uniquement la lumière. Cette avancée pourrait ouvrir la porte à des technologies telles que les dispositifs de diagnostic microfluidique dont les canaux et valves pourraient être reprogrammés à la volée, ou des systèmes de terrain qui pourraient séparer l'eau du pétrole à une plate-forme de forage, disent les chercheurs.

Le système, rapporté dans le journal Communication Nature , a été développé par le professeur agrégé de génie mécanique du MIT Kripa Varanasi, School of Engineering Professeur d'enseignement de l'innovation Gareth McKinley, ancien post-doctorant Gibum Kwon, étudiante diplômée Divya Panchanathan, ancien chercheur Seyed Mahmoudi, et Mohammed Gondal à l'Université King Fahd du pétrole et des minéraux en Arabie saoudite.

L'objectif initial du projet était de trouver des moyens de séparer le pétrole de l'eau, par exemple, pour traiter le mélange mousseux d'eau saumâtre et de pétrole brut produit à partir de certains puits de pétrole. Plus ces mélanges sont intimement mélangés, plus les gouttelettes sont fines, plus elles sont difficiles à séparer. Parfois, des méthodes électrostatiques sont utilisées, mais ceux-ci sont énergivores et ne fonctionnent pas lorsque l'eau est très salée, comme c'est souvent le cas. Au lieu, l'équipe a exploré l'utilisation de surfaces "photosensibles", dont les réponses à l'eau peuvent être altérées par l'exposition à la lumière.

En créant des surfaces dont les interactions avec l'eau - une propriété connue sous le nom de mouillabilité - pourraient être activées par la lumière, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient séparer directement le pétrole de l'eau en provoquant la fusion de gouttelettes d'eau individuelles et leur propagation à la surface. Plus les gouttelettes d'eau fusionnent, plus ils se séparent de l'huile.

Les matériaux photosensibles ont été largement étudiés et utilisés; un exemple est l'ingrédient actif dans la plupart des écrans solaires, le dioxyde de titane, également connu sous le nom de titane. Mais la plupart de ces matériaux, y compris l'oxyde de titane, réagissent principalement à la lumière ultraviolette et à peine à la lumière visible. Pourtant, seulement 5 % environ de la lumière solaire se situe dans la gamme ultraviolette. Les chercheurs ont donc trouvé un moyen de traiter la surface de l'oxyde de titane pour la rendre sensible à la lumière visible.

Pour ce faire, ils ont d'abord utilisé une technique de dépôt couche par couche pour former un film de particules de dioxyde de titane liées à un polymère sur une couche de verre. Ensuite, ils ont enduit le matériau d'un simple colorant organique. La surface résultante s'est avérée très sensible à la lumière visible, produisant un changement de mouillabilité lorsqu'il est exposé à la lumière du soleil qui est beaucoup plus grand que celui de l'oxyde de titane lui-même. Lorsqu'il est activé par la lumière du soleil, le matériau s'est avéré très efficace pour « désémulsifier » le mélange huile-eau, en séparant l'eau et l'huile l'une de l'autre.

"Nous nous sommes inspirés des travaux dans le photovoltaïque, où la sensibilisation par colorant a été utilisée pour améliorer l'efficacité d'absorption du rayonnement solaire, " dit Varansi. " Le couplage du colorant aux particules de dioxyde de titane permet la génération de porteurs de charge lors d'un éclairage lumineux. Cela crée une différence de potentiel électrique à établir entre la surface et le liquide lors de l'éclairage, et conduit à une modification des propriétés de mouillage."

"L'eau saline se répand à notre surface sous l'éclairage, mais pas l'huile, " dit Kwon, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université du Kansas. "Nous avons découvert que pratiquement toute l'eau de mer se répandrait à la surface et se séparerait du pétrole brut, sous la lumière visible."

Le même effet pourrait également être utilisé pour entraîner des gouttelettes d'eau sur une surface, comme l'équipe l'a démontré dans une série d'expériences. En modifiant sélectivement la mouillabilité du matériau à l'aide d'un faisceau lumineux mobile, une goutte peut être dirigée vers la zone la plus mouillable, le propulser dans n'importe quelle direction avec une grande précision. De tels systèmes pourraient être conçus pour fabriquer des dispositifs microfluidiques sans frontières ni structures intégrées. Le mouvement du liquide, par exemple un échantillon de sang dans un laboratoire de diagnostic sur puce, serait entièrement contrôlé par le motif d'éclairage projeté sur celui-ci.

"En étudiant systématiquement la relation entre les niveaux d'énergie du colorant et la mouillabilité du liquide de contact, nous avons proposé un cadre pour la conception de ces systèmes de manipulation de liquides guidés par la lumière, " dit Varanasi. " En choisissant le bon type de teinture, nous pouvons créer un changement significatif dans la dynamique des gouttelettes. C'est un mouvement induit par la lumière - un mouvement de gouttelettes sans contact."

La mouillabilité commutable de ces surfaces présente un autre avantage :elles peuvent être largement autonettoyantes. Lorsque la surface passe d'attractif à l'eau (hydrophile) à hydrofuge (hydrophobe), toute eau à la surface est chassée, emportant avec lui tous les contaminants qui peuvent s'être accumulés.

Étant donné que l'effet photosensible est basé sur le revêtement de colorant, il peut être hautement ajusté en choisissant parmi les milliers de colorants organiques disponibles. Tous les matériaux impliqués dans le processus sont largement disponibles, peu coûteux, matières premières, disent les chercheurs, et les procédés de fabrication sont monnaie courante.