Des matériaux bidimensionnels ont été assemblés avec succès dans des dispositifs avec les plus petits trous artificiels possibles pour le dessalement de l'eau.

Des chercheurs du National Graphene Institute (NGI) de l'Université de Manchester ont réussi à fabriquer de minuscules fentes dans une nouvelle membrane qui ne mesurent que quelques angströms (0,1 nm). Cela a permis d'étudier comment divers ions traversent ces minuscules trous.

Les fentes sont en graphène, le nitrure de bore hexagonal (hBN) et le bisulfure de molybdène (MoS2) et, étonnamment, permettre aux ions dont le diamètre est supérieur à la taille de la fente de s'infiltrer. Les études d'exclusion de taille permettent de mieux comprendre le fonctionnement des filtres biologiques à échelle similaire, tels que les aquaporines, et contribueront ainsi au développement de filtres à haut flux pour le dessalement de l'eau et les technologies associées.

Pour les scientifiques intéressés par le comportement des fluides et leur filtration, C'était un objectif ultime mais apparemment lointain de fabriquer de manière contrôlée des capillaires avec des dimensions approchant la taille des petits ions et des molécules d'eau individuelles.

Les chercheurs ont essayé d'imiter les systèmes de transport d'ions naturels, mais cela s'est avéré être une tâche difficile. Les canaux fabriqués avec des techniques standard et des matériaux conventionnels ont malheureusement été limités en taille par la rugosité intrinsèque de la surface d'un matériau, qui est généralement au moins dix fois plus grand que le diamètre hydraté des petits ions.

Plus tôt cette année, les membranes à base d'oxyde de graphène développées au NGI ont attiré une attention considérable en tant que candidats prometteurs pour les nouvelles technologies de filtration. Cette recherche utilisant la nouvelle boîte à outils de matériaux 2-D démontre le potentiel réel de fournir de l'eau potable propre à partir d'eau salée.

Pour mieux comprendre les mécanismes fondamentaux du transport ionique, une équipe dirigée par Sir Andre Geim de l'Université de Manchester a réalisé des fentes atomiquement plates mesurant seulement plusieurs angströms. Ces canaux sont chimiquement inertes avec des parois lisses à l'échelle de l'angström.

Les chercheurs ont fabriqué leurs dispositifs à fente à partir de deux plaques de cristal de graphite de 100 nm d'épaisseur mesurant plusieurs microns de diamètre qu'ils ont obtenues en coupant des cristaux de graphite en vrac. Ils ont ensuite placé des morceaux de forme rectangulaire de cristaux atomiques 2D de graphène bicouche et de MoS2 monocouche à chaque bord de l'une des plaques de cristal de graphite avant de placer une autre plaque sur la première. Cela produit un écart entre les dalles qui a une hauteur égale à l'épaisseur des espaceurs.

"C'est comme prendre un livre, placer deux allumettes sur chacun de ses bords, puis mettre un autre livre sur le dessus." explique Geim. "Cela crée un espace entre les surfaces des livres avec la hauteur de l'espace étant égale à l'épaisseur des allumettes. Dans notre cas, les livres sont les cristaux de graphite atomiquement plats et les allumettes sont le graphène, ou des monocouches de MoS2.

L'ensemble est maintenu par les forces de van der Waals et les fentes sont à peu près de la même taille que le diamètre des aquaporines, qui sont vitaux pour les organismes vivants. Les fentes sont de la plus petite taille possible car les fentes avec des entretoises plus minces sont instables et s'effondrent en raison de l'attraction entre les parois opposées.

Les ions circulent à travers les fentes si une tension est appliquée à leurs bornes lorsqu'ils sont immergés dans une solution ionique, et ce flux d'ions constitue un courant électrique. L'équipe a mesuré la conductivité ionique lors de leur passage à travers des solutions de chlorure via les fentes et a découvert que les ions pouvaient les traverser comme prévu sous un champ électrique appliqué.

"Quand nous avons regardé plus attentivement, nous avons constaté que les ions plus gros se déplaçaient plus lentement que les plus petits comme le chlorure de potassium », explique le Dr Gopi Kalon, un chercheur postdoctoral qui a dirigé l'effort expérimental.

Dr Ali Esfandiar, qui est le premier auteur de l'article, ajoute « Le point de vue classique est que les ions d'un diamètre supérieur à la taille de la fente ne peuvent pas pénétrer, mais nos résultats montrent que cette explication est trop simpliste. Les ions se comportent en effet comme des balles de tennis molles plutôt que comme des balles de billard dures, et les gros ions peuvent encore passer - soit en déformant leurs coquilles d'eau, soit en les éliminant complètement.

La nouvelle recherche publiée dans Science , montre que ces mécanismes nouvellement observés jouent un rôle clé pour le dessalement à l'aide de l'exclusion stérique et constituent une étape clé pour créer des membranes de dessalement d'eau à haut flux.