Les marées noires océaniques sont difficiles à nettoyer. Ils teignent les plumes d'un sépia sirupeux et bronzent les œufs de poisson d'une teinte toxique. Plus les eaux sont agitées, plus la nappe s'étend, avec des gouttelettes d'encre descendant dans les profondeurs saumâtres.

Aujourd'hui, la technologie peut réussir là où des bénévoles assidus ont échoué dans le passé. Des chercheurs de l'Institut de bio-ingénierie et de nanotechnologie (IBN) A*STAR utilisent la nanoscience pour transformer un déversement de pétrole en une masse flottante de gelée brune qui peut être ramassée avant qu'elle ne puisse se frayer un chemin dans la chaîne alimentaire.

« Les nanosciences permettent d'adapter les structures essentielles des matériaux à l'échelle nanométrique pour obtenir des propriétés spécifiques, " dit le chimiste Yugen Zhang à IBN, qui développe certaines des technologies. "Les structures et les matériaux de la taille du nanomètre ont souvent des propriétés distinctives qui ne sont pas vues dans d'autres plages de taille, " ajoute Huaqiang Zeng, un autre chimiste à IBN.

Gelée lisse

Il existe de nombreuses approches pour nettoyer un déversement de pétrole, et aucun n'est complètement efficace. Frais, la graisse épaisse peut être incendiée ou contenue par des barrières flottantes que les écumoires peuvent retirer. La nappe peut également être durcie de manière inefficace, mal absorbé, dispersés dangereusement, ou lentement consommés par les bactéries brouteuses. Tous ces éléments sont déficients à grande échelle, surtout dans les eaux agitées.

Les molécules organiques avec des capacités de gélification spéciales offrent un bon marché, alternative simple et écologique pour nettoyer les dégâts. Zeng a développé plusieurs de ces molécules qui transforment le pétrole brut en gelée en quelques minutes.

Pour créer ses « surgélateurs », Zeng a conçu les molécules pour s'associer les unes aux autres sans former de liaisons physiques. Lorsqu'il est pulvérisé sur de l'eau de mer contaminée, les molécules se regroupent immédiatement en longues fibres d'une largeur comprise entre 40 et 800 nanomètres. Ces fils créent une toile qui emprisonne l'huile intercalée dans une goutte géante qui flotte à la surface de l'eau. La crasse peut alors être rapidement tamisée hors de l'océan. Le pétrole brut de valeur peut ensuite être récupéré en utilisant une technique courante utilisée par les raffineries de pétrole appelée distillation fractionnée.

Zeng a testé les surgélateurs sur quatre types de pétrole brut de densités différentes, viscosités et niveaux de soufre dans une petite coupelle ronde. Les résultats étaient impressionnants. "Les surgélateurs ont solidifié à la fois le pétrole brut fraîchement déversé et le pétrole brut fortement altéré de 37 à 60 fois leur propre poids, " dit Zeng. Les matériaux utilisés pour produire ces molécules organiques sont bon marché et non toxiques, qui en font une solution commercialement viable pour la gestion des accidents en mer. Zeng espère travailler avec des partenaires industriels pour tester les nanomolécules à une échelle beaucoup plus grande.

Eau non salée

Les scientifiques de l'IBN utilisent également la nanoscience pour éliminer le sel de l'eau de mer et les métaux lourds de l'eau contaminée.

Avec la diminution des réserves mondiales d'eau douce et souterraine, de nombreux pays envisagent le dessalement comme une source viable d'eau potable. Le dessalement devrait répondre à 30 % de la demande en eau de Singapour d'ici 2060, ce qui signifiera tripler la capacité actuelle de dessalement du pays. Mais le dessalement demande une énorme consommation d'énergie et une osmose inverse, la technologie grand public dont il dépend, a un coût relativement élevé. L'osmose inverse fonctionne en utilisant des pressions extrêmes pour presser les molécules d'eau à travers des membranes étroitement tricotées.

Une solution alternative émergente imite la façon dont les protéines intégrées dans les membranes cellulaires, connu sous le nom d'aquaporines, canaliser l'eau à l'intérieur et à l'extérieur. Certains groupes de recherche ont même créé des membranes constituées de molécules de lipides gras pouvant accueillir des aquaporines naturelles. Zeng a développé un remplacement moins cher et plus résistant.

Ses blocs de construction se composent de nouilles hélicoïdales avec des extrémités collantes qui se connectent pour former de longues spirales. Les molécules d'eau peuvent s'écouler à travers les ouvertures de 0,3 nanomètre au centre des spirales, mais tous les autres ions chargés positivement et négativement qui composent l'eau salée sont trop volumineux pour passer. Il s'agit notamment du sodium, potassium, calcium, magnésium, de chlore et d'oxyde de soufre. "Dans l'eau, tous ces ions sont très hydratés, attaché à beaucoup de molécules d'eau, ce qui les rend trop gros pour passer par les canaux, " dit Zeng.

La technologie pourrait entraîner des économies mondiales allant jusqu'à 5 milliards de dollars américains par an, dit Zeng, mais seulement après plusieurs années de tests et d'ajustements de la compatibilité et de la stabilité de la membrane lipidique avec les nanospirales. « C'est un objectif majeur dans mon groupe en ce moment, " dit-il. " Nous voulons que cela soit fait, afin que nous puissions réduire le coût du dessalement de l'eau à un niveau acceptable."

Colle et antiadhésive

Les nanomatériaux offrent également un faible coût, moyen efficace et durable de filtrer les métaux toxiques de l'eau potable.

Les niveaux de métaux lourds dans l'eau potable sont strictement réglementés en raison des graves dommages que les substances peuvent causer à la santé, même à de très faibles concentrations. L'Organisation mondiale de la santé exige que les niveaux de plomb, par exemple, restent inférieurs à dix parties par milliard (ppb). Le traitement de l'eau selon ces normes est coûteux et extrêmement difficile.

Zhang a développé une substance organique remplie de pores qui peut piéger et éliminer les métaux toxiques de l'eau à moins d'un ppb. Chaque pore a une largeur de dix à vingt nanomètres et est rempli de composés, connu sous le nom d'amines qui collent aux métaux.

Exploitant le fait que les amines perdent leur emprise sur les métaux dans des conditions acides, la ressource précieuse et limitée peut être récupérée par l'industrie, et les polymères réutilisés.

Le secret du succès des polymères de Zhang est la grande surface couverte par les pores, ce qui se traduit par plus d'opportunités d'interagir avec et de piéger les métaux. "Les autres matériaux ont une surface d'environ 100 mètres carrés par gramme, mais le nôtre est 1, 000 mètres carrés par gramme, " dit Zhang. " C'est 10 fois plus élevé. "

Zhang a testé ses polymères nanoporeux sur de l'eau contaminée au plomb. Il a saupoudré une version en poudre du polymère dans un liquide légèrement alcalin contenant près de 100 ppb de plomb. En quelques secondes, niveaux de plomb réduits à moins de 0,2 ppb. Des résultats similaires ont été observés pour le cadmium, cuivre et palladium. Le lavage des polymères à l'acide a libéré jusqu'à 93 pour cent du plomb.

Avec de nombreuses entreprises désireuses de faire évoluer ces technologies pour des applications réelles, il ne faudra pas longtemps avant que la nanoscience traite la Terre pour ses nombreuses maladies.