Les membranes de filtration sont, à leur cœur, des matériaux spongieux qui ont des pores microscopiques ou nanoscopiques. Produits chimiques indésirables, les bactéries et même les virus sont physiquement bloqués par le dédale de mailles, mais des liquides comme l'eau peuvent passer à travers.

La norme actuelle pour la fabrication de ces filtres est relativement simple, mais ne permet pas beaucoup de leur donner des fonctionnalités supplémentaires. Il s'agit d'un besoin particulier lorsqu'il s'agit de « biofouling ». Le matériel biologique qu'ils sont censés filtrer, y compris les bactéries et les virus, se colle à la surface du maillage, obstruant les pores avec un résidu visqueux.

Au-delà de la réduction du débit, de tels biofilms peuvent potentiellement contaminer tout liquide passant de l'autre côté du filtre.

Des chercheurs de la School of Engineering and Applied Science de l'Université de Pennsylvanie ont trouvé une nouvelle façon de fabriquer des membranes qui pourraient résoudre ce problème. Leur méthode leur permet d'ajouter une foule de nouvelles capacités via des nanoparticules fonctionnelles qui adhèrent à la surface du maillage.

Ils ont démontré ce nouveau procédé avec des membranes qui bloquent les contaminants de la taille des bactéries et des virus sans les laisser coller, une propriété qui augmenterait considérablement l'efficacité et la durée de vie du filtre.

Les membranes "antifouling" qu'ils ont testées seraient immédiatement utiles dans des applications relativement simples, comme filtrer l'eau potable, et pourrait éventuellement être utilisé sur les composés huileux trouvés dans les eaux usées de fracturation hydraulique et d'autres polluants lourds.

La méthode des chercheurs, décrit dans un article récemment publié dans la revue Communication Nature , permet de fabriquer des membranes à partir d'une large gamme de polymères et de nanoparticules. Au-delà des capacités antifouling, les futures nanoparticules pourraient catalyser des réactions avec les contaminants, les détruire ou même les convertir en quelque chose d'utile.

L'étude a été dirigée par Daeyeon Lee, professeur au département de génie chimique et biomoléculaire de Penn Engineering, et Kathleen Stebe, Vice-doyen à la recherche de Penn Engineering et professeur Richer &Elizabeth Goodwin de génie chimique et biomoléculaire, avec Martin F. Haase, un professeur adjoint à l'Université Rowan qui a développé la technologie en tant que chercheur postdoctoral dans les laboratoires de Stebe et Lee. Harim Jeon, Noé Hough, et Jong Hak Kim ont également contribué à l'étude.

La nouvelle méthode de fabrication de membranes des chercheurs repose sur un type spécialisé de mélange liquide connu sous le nom de « gel d'émulsion interfacialement coincé bicontinu, " ou " bijel. " Contrairement aux émulsions constituées de gouttelettes isolées, les phases huileuse et aqueuse des bijels sont constituées de réseaux densément entrelacés mais entièrement connectés. Les nanoparticules introduites dans l'émulsion se retrouvent à l'interface entre les réseaux d'huile et d'eau.

Lee, Stebe et Haase ont précédemment conçu une nouvelle façon de fabriquer des bijels qui permet une plus grande gamme de matériaux de composants, qu'ils ont décrit dans un article de 2015 sur les matériaux avancés. Maintenant, ils ont montré un moyen de fabriquer un filtre solide en utilisant la même méthode.

"Nous savions que cette technologie était prometteuse, " a déclaré Stebe. " Une partie de cette promesse est maintenant en train de devenir réalité. "

Comme pour leurs bijels précédents, ce filtre commence comme un réseau entrelacé d'eau et d'huile, avec une couche dense de nanoparticules séparant les deux. Mais en utilisant une huile qui peut être polymérisée avec de la lumière UV, en réticulant des molécules individuelles flottantes en un solide, Maillage 3D :les chercheurs sont désormais en mesure de solidifier la structure du bijel.

De manière critique, cette méthode laisse la couche dense de nanoparticules en place à la surface du polymère après écoulement de l'eau. Les méthodes conventionnelles de fabrication de membranes polymères ne le permettent pas.

« Les polymères détestent généralement les particules et les éjectent, mais les interfaces aiment les particules et les piégeront, " Stebe a déclaré. "La densité des nanoparticules à la surface de nos polymères est à travers le toit. Ils sont collés les uns aux autres comme du sable dans un château de sable."

Les chercheurs ont imprégné leurs filtres de nanoparticules de silice, et les façonna en tubes semblables à de la paille. Les nanoparticules de silice peuvent être modifiées avec une large gamme de produits chimiques avec différentes fonctionnalités, y compris la propriété antifouling testée par les chercheurs. Ils ont démontré à la fois leurs capacités de filtrage et d'antifouling sur de l'eau contenant des nanoparticules d'or de différentes tailles.

« Dans notre expérience, nous avons pu filtrer de très petites nanoparticules d'or, dans des tailles équivalentes aux virus, " a déclaré Lee. " La forme du tube fonctionne également bien dans la mise en œuvre à grande échelle de ces membranes filtrantes. Parce qu'ils ont de grands rapports surface/volume et ne se bouchent pas, nous pouvons aspirer du liquide par les côtés et l'aspirer par la fin, permettant une filtration continue."

"Les membranes sont généralement des matériaux passifs qui n'adaptent pas leurs propriétés lorsque les conditions environnementales changent, " a déclaré Haase. " Un aspect passionnant de nos membranes est qu'elles peuvent être amenées à ouvrir et à fermer leurs pores en réponse à un signal chimique. Cette caractéristique unique permet à la membrane d'avoir une perméabilité contrôlable, ce qui est utile pour la séparation de différents types de contaminants de l'eau."

Lee est également co-chercheur principal chez REACT de Penn Engineering, ou Recherche et éducation dans les technologies de revêtements actifs pour l'habitat humain. Ce programme multidisciplinaire vise à améliorer les abris utilisés dans les secours en cas de catastrophe, et en tant que tel, Lee a interagi avec des intervenants d'urgence et des fournisseurs d'équipement, comme ShelterBox.

« Quand nous avons parlé aux gens de ShelterBox, ils ont dit que plus qu'une tente, ce dont les gens ont besoin, c'est d'eau propre, " a déclaré Lee. " REACT pourrait potentiellement intégrer ces filtres dans un système qui fait les deux. "

Avec plusieurs crises de réfugiés en cours dans le monde et des millions toujours sans eau potable après que l'ouragan Maria a frappé Porto Rico, l'importance de ce développement n'échappe pas aux chercheurs.

"Il y a vraiment des gens en ce moment qui ont tellement besoin de ce genre de technologie." dit Stebe.