(PhysOrg.com) -- De nombreux futurologues envisagent un monde dans lequel des membranes polymères avec des canaux de taille moléculaire sont utilisées pour capturer le carbone, produire des carburants solaires, ou dessaler l'eau de mer, parmi de nombreuses autres fonctions. Cela nécessitera des méthodes par lesquelles de telles membranes peuvent être facilement fabriquées en grandes quantités. Une technique représentant un premier pas important dans cette voie a maintenant été démontrée avec succès.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie et de l'Université de Californie (UC) Berkeley ont développé une méthode basée sur des solutions pour induire l'auto-assemblage de membranes polymères flexibles avec des canaux subnanométriques hautement alignés. Entièrement compatible avec les procédés commerciaux de fabrication de membranes, cette nouvelle technique est considérée comme le premier exemple de nanotubes organiques fabriqués dans une membrane fonctionnelle sur des distances macroscopiques.

"Nous avons utilisé des peptides cycliques formant des nanotubes et des copolymères séquencés pour démontrer une technique de co-assemblage dirigé pour la fabrication de membranes poreuses subnanométriques sur des distances macroscopiques, " dit Ting Xu, un scientifique des polymères qui a dirigé ce projet. "Cette technique devrait nous permettre de générer à l'avenir des films minces poreux où la taille et la forme des canaux peuvent être adaptées par la structure moléculaire des nanotubes organiques."

Xu, qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et les départements des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université de Californie à Berkeley, et Chimie, est l'auteur principal d'un article décrivant ce travail, qui a été publié dans la revue ACS Nano . L'article s'intitule "Subnanometer Porous Thin Films by the Co-assembly of Nanotube Subunits and Block Copolymers". Les co-auteurs de l'article avec Xu étaient Nana Zhao, Feng Ren, Rami Hourani, Ming Tsang Lee, Jessica Shu, Samuel Mao, et Brett Helms, qui est avec la Fonderie Moléculaire, un centre de nanosciences du DOE hébergé au Berkeley Lab.

Les membranes canalisées sont l'une des inventions les plus intelligentes et les plus importantes de la nature. Des membranes perforées de canaux subnanométriques tapissent l'extérieur et l'intérieur d'une cellule biologique, contrôlant – en raison de la taille – le transport des molécules essentielles et des ions dans, par, et hors de la cellule. Cette même approche recèle un potentiel énorme pour un large éventail de technologies humaines, mais le défi a été de trouver un moyen rentable d'orienter des canaux subnanométriques alignés verticalement sur des distances macroscopiques sur des substrats flexibles.

« Obtenir un contrôle au niveau moléculaire sur la taille des pores, forme, et la chimie de surface des canaux dans les membranes polymères a été étudiée dans de nombreuses disciplines mais est restée un goulot d'étranglement critique, " Xu dit. " Des films composites ont été fabriqués à l'aide de nanotubes de carbone préformés et le domaine progresse rapidement, cependant, il présente toujours un défi d'orienter les nanotubes préformés normaux à la surface du film sur des distances macroscopiques. »

Pour leurs canaux subnanométriques, Xu et son groupe de recherche ont utilisé les nanotubes organiques naturellement formés par des peptides cycliques - des chaînes de protéines polypeptidiques qui se connectent à chaque extrémité pour former un cercle. Contrairement aux nanotubes de carbone préformés, ces nanotubes organiques sont "réversibles, " ce qui signifie que leur taille et leur orientation peuvent être facilement modifiées au cours du processus de fabrication. Pour la membrane, Xu et ses collaborateurs ont utilisé des copolymères séquencés - de longues séquences ou "blocs" d'un type de molécule de monomère liés à des blocs d'un autre type de molécule de monomère. Tout comme les peptides cycliques s'auto-assemblent en nanotubes, les copolymères séquencés s'auto-assemblent en réseaux bien définis de nanostructures sur des distances macroscopiques. Un polymère lié de manière covalente au peptide cyclique a été utilisé comme "médiateur" pour lier ensemble ces deux systèmes d'auto-assemblage

"Le polymère conjugué est la clé, " dit Xu. " Il contrôle l'interface entre les peptides cycliques et les copolymères à blocs et synchronise leur auto-assemblage. Le résultat est que les canaux de nanotubes ne se développent que dans le cadre de la membrane polymère. Lorsque vous pouvez tout faire fonctionner ensemble de cette façon, le processus devient vraiment très simple."

Xu et ses collègues ont pu fabriquer des membranes poreuses subnanométriques mesurant plusieurs centimètres de diamètre et comportant des réseaux de canaux à haute densité. Les canaux ont été testés via des mesures de transport de gaz de dioxyde de carbone et de néopentane. Ces tests ont confirmé que la perméance était plus élevée pour les plus petites molécules de dioxyde de carbone que pour les plus grosses molécules de néopentane. La prochaine étape sera d'utiliser cette technique pour fabriquer des membranes plus épaisses.

"Théoriquement, il n'y a pas de limites de taille pour notre technique, il ne devrait donc y avoir aucun problème à fabriquer des membranes sur une grande surface, " Xu dit. " Nous sommes ravis parce que nous pensons que cela démontre la faisabilité de la synchronisation de plusieurs processus d'auto-assemblage en adaptant les interactions secondaires entre les composants individuels. Notre travail ouvre une nouvelle voie pour réaliser simultanément des structures hiérarchiques dans un système multi-composants, ce qui à son tour devrait aider à surmonter le goulot d'étranglement pour obtenir des matériaux fonctionnels en utilisant une approche ascendante. »