Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart ont développé une nouvelle méthode de dégradation active des polluants organiques en solution en utilisant des micromoteurs nageurs. Les micronettoyeurs mobiles se composent d'un fer extérieur et d'une couche intérieure de platine, combinant ainsi deux fonctionnalités. Peroxyde d'hydrogène, qui doit être ajouté à la solution contaminée, agit comme carburant pour les micromoteurs en platine et comme réactif pour dégrader les polluants organiques sur la couche de fer. Il n'existe pas beaucoup de méthodes pour le nettoyage réussi des eaux usées polluées. La réaction de Fenton, l'un des procédés d'oxydation avancée les plus populaires pour la dégradation des polluants organiques, repose sur la corrosion acide spontanée de la surface du micromoteur en fer en présence de peroxyde d'hydrogène. Les scientifiques rapportent que l'oxydation des polluants organiques réalisée par un essaim de ces microjets automoteurs est douze fois plus élevée que lors de l'utilisation de microtubes de fer immobiles.

Les méthodes courantes de traitement de l'eau sont inefficaces pour éliminer la plupart des types de polluants organiques. Huiles minérales, pesticides, solvants organiques, les peintures et les organochlorés ne peuvent pas être éliminés à l'aide de chlorure, méthodes d'ozone ou de floculation qui font partie des procédures régulières de traitement de l'eau. La réaction de Fenton, d'autre part, est très efficace pour éliminer ces polluants. Le terme «réaction de Fenton» fait référence à l'utilisation d'une combinaison de fer et de peroxyde d'hydrogène pour oxyder les polluants organiques, les dégradant ainsi en dioxyde de carbone et en eau. La réaction en plusieurs étapes est catalysée par des ions Fe(II). Le groupe de Samuel Sánchez de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents a maintenant combiné le meilleur des deux mondes et créé un version automotrice de ce système de nettoyage microscopique. Leurs microjets ont un micromoteur interne en platine alimenté par du peroxyde d'hydrogène et une couche de nettoyage externe où le peroxyde d'hydrogène réagit avec les polluants organiques en présence de fer. Les ions Fe(II) nécessaires comme catalyseurs pour la réaction de Fenton se forment lorsque le fer à la surface externe du tube entre en contact avec l'eau.

Pour produire leurs systèmes de nettoyage mobiles, les chercheurs ont utilisé une méthode d'enroulement de films métalliques minces qui a été mise au point il y a seulement quelques années. Ils ont évaporé une fine couche de fer de 100 à 200 nanomètres sur une surface de verre recouverte d'un motif dense de carrés de laque alignés. Dans un deuxième temps, les chercheurs ont ajouté une couche de platine d'un nanomètre d'épaisseur seulement, à l'aide d'une technique de pulvérisation spéciale. En raison des différentes propriétés mécaniques des métaux, la double couche commence à s'enrouler en forme de tube une fois la couche de laque retirée. "Cette technique nous permet de produire un grand nombre de tubes multifonctionnels", dit Samuel Sánchez, le chef du groupe de recherche Max Planck à Stuttgart.

Les bulles d'oxygène transforment les microtubes en moteur à réaction

La couche de platine fonctionne comme un moteur, car, un peu comme le fer, il catalyse une réaction chimique avec l'agent oxydant le peroxyde d'hydrogène. "Le peroxyde d'hydrogène agit comme carburant pour nos sous-marins miniatures, " explique Luis Soler, un scientifique du groupe de recherche. Lorsque le peroxyde d'hydrogène et le platine réagissent, le platine agit comme un catalyseur pour la décomposition du peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène, formant ainsi de petites bulles. Comme de plus en plus de bulles sont produites, ils s'échappent du tube. Initialement, des quantités différentes d'oxygène sortent de chaque côté du tube et le tube est propulsé par jet de manière aléatoire. Dès que le tube a atteint une certaine vitesse, bien que, toutes les bulles s'échappent d'un côté, et le tube est poussé dans la direction opposée aux bulles qui s'échappent, alimentant ainsi plus de carburant dans l'extrémité avant.

L'idée initiale d'envelopper les micromoteurs en platine d'une couche de fer est née alors que les scientifiques réfléchissaient à un problème totalement différent. Les visions typiques des possibilités technologiques des futurs micro- et nanomoteurs incluent le transport rapide d'agents pharmaceutiques vers des zones cibles spécifiques comme les cellules tumorales, par exemple. À l'arrivée, ils perceraient la membrane cellulaire comme une nanocanule et injecteraient l'agent actif directement dans la cellule cible. Cependant, un obstacle de taille s'oppose à la réalisation de cette vision :le peroxyde d'hydrogène, comme tous les autres carburants qui ont été développés pour ces moteurs, nuit aux organismes vivants. Et c'est là qu'intervient l'idée d'une nouvelle application :les scientifiques ont décidé d'employer leurs micromoteurs dans des endroits où l'utilisation de peroxyde d'hydrogène n'est pas un inconvénient, mais remplit plutôt une fonction importante en tant que co-réactif.

Un nouveau remède contre les résidus de peinture et les pesticides

Parce que la couche de fer est également magnétique, les tubes peuvent être orientés vers des polluants difficiles à atteindre et ils peuvent être récupérés une fois leur travail terminé. Et, le peroxyde d'hydrogène superflu n'affectera pas le traitement ultérieur de l'eau, parce qu'il est régulier, mais lentement, dégradé en eau et en oxygène par la lumière du soleil.

Samuel Sánchez explique la motivation du groupe, "Nous voulions construire des micromoteurs qui ont une application significative." Puis il précise :« La plus grande limitation est que ce type de dépollution de l'eau ne fonctionne qu'à petite échelle, jusqu'ici. Par conséquent, la route vers l'application industrielle est encore longue et sinueuse. cette nouvelle technologie ouvre la voie à l'utilisation de micromoteurs multifonctionnels pour des applications environnementales. Luis Soler ajoute, "Je peux bien imaginer qu'un jour ces micromoteurs serviront avec succès à nettoyer l'eau des résidus de peinture de l'industrie textile et des pesticides de l'agriculture."