Un schéma d'une des installations expérimentales du groupe montre une plaque de cuivre qui peut être chauffée à l'aide d'une torche en dessous, pour étudier l'effet de la température sur le processus. Au dessus de l'assiette, un appareil constitué de deux réservoirs séparés par une structure en silicium surmontée d'un seul nanotube de carbone. Lorsqu'une source d'alimentation est connectée aux électrodes (les fils s'étendant vers le haut de l'appareil), les molécules chargées (ions) d'un des réservoirs peuvent traverser le tube, et sa progression peut être suivie à l'aide d'un microscope électronique à balayage. Crédit :Choi et al.
Comme un petit pois traversant une paille, de minuscules molécules peuvent traverser des cylindres microscopiques appelés nanotubes. Cela pourrait potentiellement être utilisé pour sélectionner des molécules en fonction de leur taille, par exemple, purifier l'eau en laissant passer les molécules d'eau tout en bloquant le sel ou d'autres substances.
Maintenant, chercheurs du MIT, L'Université de Séoul en Corée et le Collège Ursinus en Pennsylvanie ont découvert que ces tubes sont plus sélectifs qu'on ne le pensait :des molécules d'une taille précise peuvent traverser cinq fois plus vite que celles qui sont un peu plus petites ou plus grandes. Les nouvelles découvertes sont publiées dans la revue Communication Nature par le professeur du MIT Michael Strano, les étudiants diplômés Wonjoon Choi et Zachary Ulissi, et trois autres.
Cette dépendance à la taille dans le transport des nanotubes était complètement inattendue, dit Strano, professeur de génie chimique au MIT. "Ce travail illustre comment le transport dans des pores de ce type reste exotique et relativement inexploré, " il dit.
L'équipe "a examiné le transport des ions à travers les plus petits nanopores uniques qui ont été étudiés, " dit Strano. Les nanotubes de carbone qu'ils ont étudiés avaient des largeurs allant de 0,9 à 2 nanomètres - environ le diamètre d'une hélice d'ADN - et mesuraient environ 1 millimètre de long.
"Ce que nous avons trouvé n'a pas été prédit par la théorie, " il dit :Jusqu'à un certain diamètre, le flux d'ions à travers un nanotube a augmenté régulièrement, mais au-delà de ce diamètre, le débit a diminué. "La dépendance est une parcelle en forme de volcan, " dit Strano.
Le débit de pointe, au centre de cette parcelle, permet un transport cinq fois plus important que le transport à des diamètres plus petits ou plus grands. "Les résultats expérimentaux sont contre-intuitifs, " Strano dit, "qu'il semble y avoir un diamètre optimal."
Cette dépendance à la taille du transport pourrait s'avérer utile dans diverses technologies, Il suggère, y compris les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM), où les molécules d'oxygène ou d'hydrogène doivent traverser de minuscules pores dans une membrane pour produire de l'électricité. Une autre application potentielle concerne les dispositifs de séquençage de l'ADN, où les segments d'ADN se précipitent généralement à travers les pores beaucoup trop rapidement pour être analysés. La nouvelle compréhension peut fournir une méthode pour "ajuster" la vitesse de transit pour ralentir suffisamment les séquences d'ADN pour l'analyse.
La dépendance à la taille inattendue résulte de deux phénomènes, suggère Strano. Selon une théorie développée par l'équipe, il y a d'abord une force attractive, dans lequel la charge électrique des ions les fait être attirés par un champ électrique à travers le pore. Puisque les ions et les tubes sont tous immergés dans l'eau, de l'eau est également entraînée.
Jusqu'à un certain diamètre, ces molécules d'eau forment une couche, ou quelques couches, autour de l'ion et sont entraînés avec lui, l'équipe théorise. Mais à mesure que l'ouverture s'agrandit, l'eau se comporte comme un matériau en vrac, ralentir le passage des ions. "Cette explication est cohérente avec nos observations expérimentales et simulations moléculaires de l'eau à l'intérieur des nanotubes de ce type, " dit Strano - bien qu'il souligne que si les données sur le flux d'ions sont claires, des travaux théoriques supplémentaires sont nécessaires pour bien comprendre ce processus.
Cette découverte peut aider à concevoir de meilleures membranes pour le dessalement de l'eau. Le plus gros problème avec les membranes d'aujourd'hui est le compromis entre la sélectivité et les débits :des pores plus gros permettent à l'eau de s'écouler plus rapidement, mais sont moins sélectifs. La réponse non linéaire des nanotubes peut fournir un moyen de contourner cela.
"Les résultats suggèrent qu'en utilisant des nanopores d'un diamètre spécifique, il peut être possible d'atteindre une sélectivité maximale avec un débit maximal" en optimisant la taille des pores, dit Strano.
Les travaux pourraient également conduire à de nouveaux capteurs capables de détecter des contaminants spécifiques dans l'eau, dit l'équipe. Par exemple, la contamination par l'arsenic des eaux souterraines est un grave problème de santé dans certaines régions, mais il n'existe aucun moyen fiable de tester les concentrations d'arsenic dans l'eau. La sélectivité des nanotubes pourrait permettre de concevoir un détecteur simple qui pourrait mesurer une telle contamination, dit Strano.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
