Dans une nouvelle étude dirigée par le professeur de l'Institut Maurizio Porfiri à NYU Tandon, les chercheurs ont montré un nouveau principe d'actionnement :transformer l'énergie électrique en mouvement. Ce mécanisme d'actionnement est basé sur la solvatation, l'interaction entre les molécules de soluté et de solvant dans une solution. Ce phénomène est particulièrement important dans l'eau, car ses molécules sont polaires :l'oxygène attire plus les électrons que l'hydrogène, tel que l'oxygène a une charge légèrement négative et l'hydrogène une charge légèrement positive. Ainsi, les molécules d'eau sont attirées par les ions chargés en solution, formant des coquilles autour d'eux. Ce phénomène microscopique joue un rôle critique dans les propriétés des solutions et dans les processus biologiques essentiels tels que le repliement des protéines, mais avant cette étude, il n'y avait aucune preuve de conséquences mécaniques macroscopiques potentielles de la solvatation.

Le groupe de chercheurs, qui comprenait également Alain Boldini, un doctorat candidat au Département de génie mécanique et aérospatial de NYU Tandon, et le Dr Youngsu Cha de l'Institut coréen des sciences et de la technologie, ont proposé que la solvatation puisse être exploitée pour produire des déformations macroscopiques dans les matériaux. À cette fin, Porfiri et son groupe ont utilisé des membranes ionomères, matériaux polymères uniques dans lesquels les charges négatives ne peuvent pas se déplacer. Les ions positifs peuvent facilement pénétrer dans ces membranes, tandis que les ions négatifs sont repoussés par eux. Pour démontrer l'actionnement, les membranes ionomères ont été immergées dans une solution d'eau et de sel, entre deux électrodes. L'application d'une tension aux bornes des électrodes a fait fléchir la membrane. Le papier, "Actionnement électrochimique piloté par la solvation, " est publié dans la revue American Physical Society Lettres d'examen physique .

Selon le modèle développé par Porfiri et son groupe, la tension a provoqué un courant d'ions positifs vers l'électrode négative. Ces ions sont entrés dans la membrane d'un côté, avec les molécules d'eau dans leurs coquilles de solvatation. De l'autre côté de la membrane, les ions positifs et leurs coquilles de solvatation ont été traînés à l'extérieur. La membrane a répondu comme une éponge :le côté plein d'eau s'est dilaté, tandis que le côté avec moins d'eau a rétréci. Ce gonflement différentiel a produit la flexion macroscopique de la membrane. L'étude de l'actionnement avec différents ions permet de comprendre ce phénomène, car différents ions attirent un nombre différent de molécules d'eau autour d'eux.

La découverte des conséquences mécaniques macroscopiques de la solvatation ouvre la voie à davantage de recherches sur les membranes. Le groupe attend des applications dans le domaine des cellules électrochimiques (batteries, réservoirs de carburant, et électrolyseurs), qui reposent souvent sur les membranes utilisées dans cette étude. Ces membranes partagent également des similitudes avec les membranes naturelles, comme les membranes cellulaires, sur laquelle les effets mécaniques de la solvatation sont largement inconnus.