L'une des membranes les plus fines jamais fabriquées est également très discriminante en ce qui concerne les molécules qui la traversent. Des ingénieurs de l'Université de Caroline du Sud ont construit une membrane d'oxyde de graphène de moins de 2 nanomètres d'épaisseur avec une sélectivité de perméation élevée entre les molécules d'hydrogène et de dioxyde de carbone.

La sélectivité est basée sur la taille moléculaire, l'équipe a rapporté dans le journal Science . L'hydrogène et l'hélium traversent relativement facilement la membrane, mais le dioxyde de carbone, oxygène, azote, le monoxyde de carbone et le méthane s'infiltrent beaucoup plus lentement.

"Le diamètre cinétique de l'hydrogène est de 0,289 nm, et le dioxyde de carbone est de 0,33 nm. La différence de taille est très petite, seulement 0,04 nm, mais la différence de perméation est assez grande", a déclaré Miao Yu, un ingénieur chimiste du Collège d'ingénierie et d'informatique de l'USC qui a dirigé l'équipe de recherche. "La membrane se comporte comme un tamis. Les molécules plus grosses ne peuvent pas passer, mais des molécules plus petites le peuvent."

En plus de la sélectivité, Ce qui est remarquable dans le résultat de l'équipe USC, c'est la qualité de la membrane qu'ils ont pu fabriquer à si petite échelle. La membrane est construite sur la surface d'un support d'oxyde d'aluminium poreux. Flocons d'oxyde de graphène, avec des largeurs de l'ordre de 500 nm mais une épaisseur d'un seul atome de carbone, ont été déposés sur le support pour créer une membrane circulaire d'environ 2 centimètres carrés de surface.

La membrane est une sorte de mosaïque superposée de paillettes d'oxyde de graphène. C'est comme couvrir la surface d'une table avec des cartes à jouer. Et faire cela à l'échelle moléculaire est très difficile si vous voulez une couverture uniforme et aucun endroit où vous pourriez avoir des "fuites". Les molécules de gaz recherchent des trous partout où elles peuvent être trouvées, et dans une membrane constituée de paillettes d'oxyde de graphène, il y aurait deux endroits probables :des trous dans les flocons, ou des trous entre les flocons.

Ce sont les interstices entre les flocons qui ont été un véritable frein au progrès des séparations de gaz légers. C'est pourquoi les membranes microporeuses conçues pour se distinguer dans cette gamme moléculaire sont généralement très épaisses. "Au moins 20 nm, et généralement plus épais, " a déclaré Miao. Tout ce qui est plus mince et les molécules de gaz pourraient facilement trouver leur chemin entre les espaces non uniformes entre les flocons.

L'équipe de Miao a mis au point une méthode de préparation d'une membrane sans ces fuites « inter-flocons ». Ils ont dispersé des flocons d'oxyde de graphène, qui sont des mélanges très hétérogènes lorsqu'ils sont préparés avec les méthodes actuelles, dans l'eau et utilisé des techniques de sonication et de centrifugation pour préparer un dilué, bouillie homogène. Ces paillettes ont ensuite été déposées sur le support par simple filtration.

Leur résultat le plus mince était une membrane de 1,8 nm d'épaisseur qui permettait uniquement aux molécules de gaz de passer à travers les trous dans les flocons d'oxyde de graphène eux-mêmes, l'équipe a rapporté. Ils ont découvert par microscopie à force atomique qu'un seul flocon d'oxyde de graphène avait une épaisseur d'environ 0,7 nm. Ainsi, la membrane de 1,8 nm d'épaisseur sur l'oxyde d'aluminium n'a que quelques couches moléculaires d'épaisseur, avec des défauts moléculaires dans l'oxyde de graphène qui sont essentiellement uniformes et juste un peu trop petits pour laisser passer facilement le dioxyde de carbone.

L'avancée a une gamme d'applications potentielles. Avec des inquiétudes généralisées concernant le dioxyde de carbone en tant que gaz à effet de serre, la séparation efficace du dioxyde de carbone des autres gaz est une priorité de recherche élevée. De plus, l'hydrogène représente une marchandise intégrale dans les systèmes énergétiques impliquant, par exemple, réservoirs de carburant, sa purification à partir de mélanges gazeux est donc également un domaine d'intérêt actif.

Yu note également que les dimensions du tamis moléculaire sont de l'ordre de la taille de l'eau, donc, par exemple, la purification des grandes quantités d'eau contaminée produite par la fracturation hydraulique (fracking) est une autre possibilité.

Pouvoir réduire l'épaisseur de la membrane - et d'un ordre de grandeur - est un grand pas en avant, dit Yu. "Avoir des membranes si minces est un gros avantage dans la technologie de séparation, ", a-t-il déclaré. "Cela représente un tout nouveau type de membrane dans les sciences de la séparation."