(Phys.org) — La modélisation informatique a donné aux chercheurs en matériaux un nouvel aperçu des propriétés d'une membrane qui purifie l'eau salée en eau potable. La technologie qui en résulte pourrait aider à accélérer les processus de dessalement inefficaces utilisés aujourd'hui.

Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge et du Rensselaer Polytechnic Institute ont utilisé des simulations de superordinateur au Center for Computational Innovations de RPI pour explorer le potentiel de purification d'un matériau hybride appelé cadres d'oxyde de graphène, ou GOF, introduit pour la première fois en 2010.

"Il s'agit essentiellement de feuilles de graphène oxydé reliées par des lieurs chimiques spécifiques de certains des sites d'oxydation, " a déclaré Bobby Sumpter de l'ORNL. " Parce qu'il est composé principalement de carbone fortement lié, il ne se décompose pas dans l'eau et possède de bonnes propriétés mécaniques. C'est un matériau passionnant avec un potentiel pour de nombreuses applications."

Initialement intrigué par les propriétés électroniques accordables des GOF, Vincent Meunier de Sumpter et RPI ont rapidement réalisé que le matériau pouvait être utilisé comme membrane de dessalement.

Systèmes d'osmose inverse, qui représentent environ 40 pour cent de la capacité mondiale de dessalement, générer de l'eau douce en appliquant une pression pour forcer l'eau salée à travers une membrane semi-perméable.

« Un gros problème pour le dessalement est la vitesse :combien d'eau pouvez-vous faire passer par jour ? " dit Meunier, le professeur de physique Gail et Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation, Informatique, et entrepreneuriat chez RPI. "Vous pouvez avoir un excellent matériau de membrane, mais si vous ne pouvez traiter qu'une tasse d'eau par jour, cela ne sera ni utile ni rentable."

Après avoir développé des modèles informatiques pour décrire les interactions entre les atomes du matériau, Sumpter, Meunier et Adrien Nicolaï de RPI ont entrepris de calculer la configuration idéale pour une membrane de dessalement GOF. Ils ont utilisé des ordinateurs hautes performances pour simuler comment l'épaisseur de la couche, la densité des piliers de liaison, et la pression appliquée affectent les performances du matériau.

"Il y a un sweet spot pour la densité des linkers, " Meunier a dit. " Si vous avez une forte densité de linkers, ce sera super sélectif, mais cela va aussi le ralentir. Vous avez besoin à la fois de sélectivité et de perméabilité."

Les simulations ont révélé que le réglage fin de la structure GOF permet d'éliminer tous les ions de l'eau salée à un rythme beaucoup plus rapide, environ 100 fois plus rapide que les matériaux actuellement utilisés comme membranes d'osmose inverse. L'utilisation de graphène hydrofuge dans le cadre de la membrane poreuse contribue à l'augmentation des performances.

"L'eau essaie d'éviter d'être en contact avec le graphène, vous pouvez donc le concevoir de telle manière que vous forcez l'eau à ne pas être proche d'une couche mais aussi à ne pas être proche de l'autre, " dit Meunier. " Cet effet crée des canaux, qui dirigent l'eau à travers le système très rapidement."

Les simulations les plus récentes de l'équipe ont porté sur l'élimination des ions sels, mais les chercheurs notent que le matériau GOF pourrait être utilisé comme membrane de filtration pour d'autres contaminants tels que les bactéries. Puisque les GOF sont faits avec abondant, matériaux peu coûteux grâce à un processus de fabrication standard, les chercheurs pensent également que les membranes à base de GOF pourraient contribuer à rendre le dessalement plus économiquement viable.

"Nous pensons que c'est évolutif, que l'industrie du génie chimique pourrait potentiellement le produire en vrac, " dit Sumpter.

Les derniers résultats de l'équipe sont publiés sous le titre "Tunable water desalination across graphene oxide framework membranes" dans la revue Chimie Physique Physique Chimique . L'Office of Naval Research et l'Office of Science du ministère de l'Énergie ont soutenu la recherche.

Sumpter ajoute que le projet de l'équipe illustre la façon dont les collaborations interdisciplinaires, combinant la science des matériaux, chimie physique, la biophysique et la simulation informatique—peuvent produire des résultats significatifs.

« La compréhension dans différentes disciplines est essentielle pour permettre ces exemples importants de la science, " dit-il. " C'est l'avantage de la nanoscience, où plusieurs domaines se réunissent pour résoudre un problème important pour la société."