Une nouvelle nano-membrane fabriquée à partir du «super matériau» graphène est extrêmement légère et respirante. Non seulement cela peut ouvrir la porte à une nouvelle génération de vêtements imperméables fonctionnels, mais aussi à la filtration ultra-rapide. La membrane produite par les chercheurs de l'ETH Zurich est aussi fine que la technologie le permet.
Les chercheurs ont produit une membrane poreuse stable qui est plus mince qu'un nanomètre. C'est un 100, 000 fois plus fin que le diamètre d'un cheveu humain. La membrane se compose de deux couches du graphène "super matériau" très exalté, un film bidimensionnel constitué d'atomes de carbone, sur laquelle l'équipe de chercheurs, dirigé par le professeur Hyung Gyu Park du département de génie mécanique et des procédés de l'ETH Zurich, de minuscules pores gravés d'une taille définie avec précision.
La membrane peut ainsi imprégner de minuscules molécules. Molécules ou particules plus grosses, d'autre part, ne peut passer que lentement ou pas du tout. "Avec une épaisseur de seulement deux atomes de carbone, c'est la membrane poreuse la plus fine technologiquement possible, " déclare le doctorant Jakob Buchheim, l'un des deux auteurs principaux de l'étude, qui a été menée par des chercheurs de l'ETH-Zurich en collaboration avec des scientifiques de l'Empa et un laboratoire de recherche de LG Electronics. L'étude vient d'être publiée dans la revue Science .
La membrane ultra-mince en graphène pourra un jour être utilisée à différentes fins, y compris les vêtements imperméables. "Notre membrane n'est pas seulement très légère et flexible, mais il est aussi mille fois plus respirant que le Goretex, " dit Kemal Celebi, un post-doctorant dans le laboratoire de Park et également l'un des principaux auteurs de l'étude. La membrane pourrait aussi potentiellement être utilisée pour séparer des mélanges gazeux en leurs éléments constitutifs ou pour filtrer les impuretés des fluides. Les chercheurs ont pu démontrer pour la première fois que les membranes en graphène pouvaient convenir à la filtration de l'eau. Les chercheurs voient également une utilisation potentielle de la membrane dans des appareils utilisés pour la mesure précise des débits de gaz et de fluides qui sont essentiels pour dévoiler la physique autour du transfert de masse à l'échelle nanométrique et de la séparation des mélanges chimiques.
Percée dans la nanofabrication
Les chercheurs ont non seulement réussi à produire le matériau de départ, un film de graphène double couche à haut niveau de pureté, mais ils ont également maîtrisé une technique appelée broyage par faisceau d'ions focalisé pour graver les pores dans le film de graphène. Dans ce processus, qui est également utilisé dans la production de semi-conducteurs, un faisceau d'ions d'hélium ou de gallium est contrôlé avec une grande précision afin de graver la matière. Les chercheurs ont pu graver des pores d'un nombre et d'une taille spécifiés dans le graphène avec une précision sans précédent. Ce processus, qui pourrait facilement prendre des jours à compléter, n'a pris que quelques heures dans le travail actuel. "C'est une avancée qui permet la nanofabrication des membranes poreuses en graphène, " explique Ivan Shorubalko, un scientifique de l'Empa qui a également contribué à l'étude.
Pour atteindre ce niveau de précision, les chercheurs ont dû travailler avec du graphène double couche. "Il n'aurait pas été possible pour cette méthode de créer une telle membrane avec une seule couche car le graphène en pratique n'est pas parfait, " dit Park. Le matériau peut présenter certaines irrégularités dans la structure en nid d'abeille des atomes de carbone. De temps en temps, il manque des atomes individuels dans la structure, ce qui non seulement nuit à la stabilité du matériau mais rend également impossible la gravure d'un pore de haute précision sur un tel défaut. Les chercheurs ont résolu ce problème en superposant deux couches de graphène. La probabilité que deux défauts se déposent directement l'un au-dessus de l'autre est extrêmement faible, explique Park.
Filtration la plus rapide possible
Un avantage clé des dimensions minuscules est que plus une membrane est fine, plus sa résistance à la perméation est faible. Plus la résistance est faible, plus l'efficacité énergétique du processus de filtration est élevée. "Avec de telles membranes atomiquement minces, nous pouvons atteindre une perméation maximale pour une membrane d'une taille de pores donnée et nous pensons qu'elles permettent le taux de perméation le plus rapide possible, " dit Celebi. Cependant, avant que ces applications ne soient prêtes à être utilisées à l'échelle industrielle ou pour la production de vêtements imperméables fonctionnels, le processus de fabrication doit encore être développé. Pour étudier la science fondamentale, les chercheurs ont travaillé avec de minuscules morceaux de membrane d'une surface inférieure à un centième de millimètre carré. Les objectifs seront désormais de réaliser des surfaces membranaires plus importantes et d'imposer divers mécanismes de filtrage.
