Structure membranaire; la couche supérieure (rose) montre une morphologie de couche sélective contenant des micelles tassées. Les espaces entre les micelles forment des nanopores membranaires d'une taille de 1 à 3 nanomètres Crédit :Ilin Sadeghi, co-auteur de l'étude et doctorat de l'Université Tufts. candidat
Une équipe d'ingénieurs chimistes et biologiques a développé des filtres à membrane hautement sélectifs qui pourraient permettre aux fabricants de séparer et de purifier les produits chimiques d'une manière qui est actuellement impossible, leur permettant d'utiliser potentiellement moins d'énergie et de réduire les émissions de carbone, selon les résultats publiés aujourd'hui dans la revue ACS Nano .
Les scientifiques de l'Université Tufts ont déclaré que les membranes sophistiquées peuvent séparer les composés organiques non seulement par leur taille - aussi petite qu'une molécule - mais aussi par leur charge électrostatique, ce qui signifie que les fabricants pourraient trier les composés à la fois par taille et par type. Les membranes utilisent un simple, processus évolutif dans lequel un polymère spécial est dissous dans un solvant et appliqué sur un support poreux. Le polymère s'auto-assemble pour créer des canaux d'environ 1 nanomètre qui imitent les systèmes biologiques, tels que les canaux ioniques, qui contrôlent le passage des composés à travers les membranes cellulaires avec une grande efficacité.
L'auteur correspondant Ayse Asatekin, Doctorat., professeur de génie chimique et biologique à la Tufts School of Engineering, a déclaré que la découverte de l'équipe répond aux appels de l'ensemble de l'industrie pour le développement de solutions plus efficaces pour séparer les produits chimiques, qui représente 10 à 15 % de la consommation mondiale d'énergie, selon un rapport dans Nature.
"Notre étude est prometteuse car c'est la première démonstration d'une nouvelle façon de fabriquer ces membranes sélectives si importantes pour la fabrication chimique, ", a-t-elle déclaré. "Concevoir des membranes très sélectives capables d'effectuer ces séparations complexes pourrait vraiment augmenter l'efficacité énergétique et réduire considérablement les déchets de fabrication."
Les membranes nouvellement conçues peuvent :
Asatekin a noté que la séparation basée sur la charge est améliorée lorsque la solution contient un mélange de solutés, ce qui indique que la structure membranaire imite avec succès le fonctionnement des systèmes biologiques tels que les canaux ioniques. Cette découverte a conduit les chercheurs à croire que cette approche peut être utilisée pour traiter d'autres séparations, et apporter des sélectivités au-delà de ce qui peut être atteint en utilisant des membranes conventionnelles.
"Cela signifie que nous pourrions potentiellement fabriquer des filtres capables de séparations qui ne peuvent pas être réalisées actuellement. Les filtres d'aujourd'hui se limitent généralement à séparer les gros des petits, et nous voulons pouvoir séparer des composés de même taille mais différents, " a déclaré Asatekin.
Schéma du mécanisme de formation de la couche sélective membranaire comportant des nanocanaux chargés. (a) La structure du polymère avec des groupes chargés (b) la formation de micelles dans le méthanol, (c) des micelles enrobées sur un support poreux, où ils forment un réseau compact de micelles sphériques avec des groupes acide carboxylique. Crédit :Ilin Sadegh, co-auteur de l'étude et doctorat de l'Université Tufts. candidat
Asatekin a noté que certaines applications potentielles de ce projet incluent la purification d'antibiotiques, acides aminés, antioxydants et autres composés biologiques à petites molécules, et la séparation des liquides ioniques du sucre dans les installations de bioraffinerie. Cependant, elle a dit qu'elle pense que cette approche générale peut potentiellement être adaptée à différentes séparations avec des recherches plus approfondies.
Asatekin est le chercheur principal des Smart Polymers, Membranes, et le laboratoire de séparations à Tufts. Le laboratoire vise à développer la prochaine génération de membranes en les concevant à partir de molécules. Les membranes reposent sur des polymères qui s'auto-assemblent, former des nanostructures, et exposer des fonctionnalités chimiques qui leur permettent d'effectuer des tâches normalement non attendues des membranes. Ils éliminent non seulement les bactéries mais aussi les métaux lourds, réagir aux stimuli, et séparer les petites molécules par structure chimique. Globalement, l'objectif est de développer des membranes qui permettront de générer des l'eau potable plus efficacement et séparer les produits chimiques avec une consommation d'énergie moindre.
