Des chercheurs de l'Institut national du graphène de l'Université de Manchester au Royaume-Uni ont réussi pour la première fois à créer des canaux artificiels de la taille d'un seul atome. Les nouveaux capillaires, qui ressemblent beaucoup aux canaux protéiques naturels comme les aquaporines, sont assez petits pour bloquer le flux des plus petits ions comme Na+ et Cl- mais permettent à l'eau de s'écouler librement. En plus d'améliorer notre compréhension fondamentale du transport moléculaire à l'échelle atomique, et surtout dans les systèmes biologiques, les structures pourraient être idéales dans les technologies de dessalement et de filtration.

"Évidemment, il est impossible de fabriquer des capillaires plus petits qu'un atome, " explique le chef d'équipe Sir Andre Geim. " Notre exploit semblait presque impossible, même avec le recul, et il était difficile d'imaginer de si petits capillaires il y a à peine quelques années."

Canaux protéiques naturels, comme les aquaporines, permettent à l'eau de les traverser rapidement mais bloquent les ions hydratés d'une taille supérieure à environ 7 A grâce à des mécanismes tels que l'exclusion stérique (taille) et la répulsion électrostatique. Les chercheurs ont essayé de fabriquer des capillaires artificiels qui fonctionnent exactement comme leurs homologues naturels, mais malgré de nombreux progrès dans la création de pores et de nanotubes à l'échelle nanométrique, toutes ces structures à ce jour sont encore beaucoup plus grandes que les canaux biologiques.

Geim et ses collègues ont maintenant fabriqué des canaux d'une hauteur d'environ 3,4 A. C'est environ la moitié de la taille des plus petits ions hydratés, tels que K+ et Cl-, qui ont un diamètre de 6,6 A. Ces canaux se comportent comme des canaux protéiques en ce sens qu'ils sont suffisamment petits pour bloquer ces ions mais suffisamment gros pour permettre aux molécules d'eau (d'un diamètre d'environ 2,8 A) de s'écouler librement.

Les structures pourraient, surtout, aider au développement de solutions rentables, filtres à haut flux pour le dessalement de l'eau et les technologies associées - un Saint Graal pour les chercheurs dans le domaine.

Lego à l'échelle atomique

En publiant leurs découvertes dans Science, les chercheurs ont fabriqué leurs structures en utilisant une technique d'assemblage de van der Waals, également connu sous le nom de "Lego à l'échelle atomique", qui a été inventé grâce à la recherche sur le graphène. « Nous clivons des nanocristaux atomiquement plats d'une épaisseur de seulement 50 et 200 nanomètres à partir de graphite en vrac, puis plaçons des bandes de graphène monocouche sur la surface de ces nanocristaux, " explique le Dr Radha Boya, un co-auteur du document de recherche. "Ces bandes servent d'espaceurs entre les deux cristaux lorsqu'un cristal atomiquement plat similaire est ensuite placé sur le dessus. L'ensemble tricouche résultant peut être considéré comme une paire de dislocations de bord reliées par un vide plat entre les deux. Cet espace ne peut accueillir qu'un seul couche d'eau atomique."

L'utilisation des monocouches de graphène comme espaceurs est une première et c'est ce qui rend les nouveaux canaux différents de toutes les structures précédentes, elle dit.

Les scientifiques de Manchester ont conçu leurs capillaires 2-D pour avoir une largeur de 130 nm et une longueur de plusieurs microns. Ils les ont assemblés au sommet d'une membrane en nitrure de silicium qui séparait deux conteneurs isolés pour s'assurer que les canaux étaient la seule voie par laquelle l'eau et les ions pouvaient s'écouler.

Jusqu'à maintenant, les chercheurs n'avaient pu mesurer que l'eau s'écoulant à travers des capillaires dotés d'espaceurs beaucoup plus épais (environ 6,7 A de haut). Et tandis que certaines de leurs simulations de dynamique moléculaire ont indiqué que des cavités 2D plus petites devraient s'effondrer en raison de l'attraction de van der Waals entre les parois opposées, d'autres calculs ont souligné le fait que les molécules d'eau à l'intérieur des fentes pourraient en fait servir de support et empêcher même les fentes d'une hauteur d'un atome (seulement 3,4 A de hauteur) de tomber. C'est en effet ce que l'équipe de Manchester a maintenant trouvé dans ses expérimentations.

Mesurer le débit d'eau et d'ions

"Nous avons mesuré la perméation de l'eau à travers nos canaux en utilisant une technique connue sous le nom de gravimétrie, " dit Radha. " Tiens, nous permettons à l'eau dans un petit récipient scellé de s'évaporer exclusivement à travers les capillaires et nous mesurons ensuite avec précision (au microgramme près) combien de poids le récipient perd sur une période de plusieurs heures."

Pour faire ça, les chercheurs disent avoir construit un grand nombre de canaux (plus d'une centaine) en parallèle pour augmenter la sensibilité de leurs mesures. Ils ont également utilisé des cristaux supérieurs plus épais pour éviter l'affaissement, et coupé l'ouverture supérieure des capillaires (à l'aide d'une gravure au plasma) pour éliminer tout blocage potentiel par les bords minces présents ici.

Pour mesurer le flux d'ions, ils forçaient les ions à se déplacer dans les capillaires en appliquant un champ électrique, puis mesuraient les courants résultants. "Si nos capillaires avaient deux atomes de haut, nous avons constaté que les petits ions peuvent se déplacer librement à travers eux, tout comme ce qui se passe dans l'eau en vrac, " dit Radha. " En revanche, aucun ion ne pourrait traverser nos canaux finalement petits d'un atome.

"L'exception était les protons, qui sont connus pour se déplacer dans l'eau comme de véritables particules subatomiques, plutôt que des ions habillés dans des coquilles d'hydratation relativement grandes de plusieurs angströms de diamètre. Nos canaux bloquent ainsi tous les ions hydratés mais laissent passer les protons."

Étant donné que ces capillaires se comportent de la même manière que les canaux protéiques, ils seront importants pour mieux comprendre le comportement de l'eau et des ions à l'échelle moléculaire, comme dans les filtres biologiques à l'échelle de l'angström. "Nos travaux (actuels et précédents) montrent que l'eau confinée atomiquement a des propriétés très différentes de celles de l'eau en vrac, " explique Geim. " Par exemple, il devient fortement stratifié, a une structure différente, et présente des propriétés diélectriques radicalement différentes."