Plus de 800 millions de personnes n'ont pas accès à de l'eau propre et salubre. Les progrès récents de la technologie de filtration de l'eau ont créé de nouvelles façons de filtrer l'eau et de la rendre potable, mais bon nombre de ces applications sont trop coûteuses et encombrantes pour être utilisées dans des régions éloignées du monde. Osmose inverse, par exemple, peut rendre l'eau de mer potable, mais le processus est incroyablement coûteux et nécessite une grande quantité d'énergie.

Une nouvelle étude du laboratoire de Chinedum Osuji décrit une nouvelle façon de créer des filtres à eau à l'échelle nanométrique qui sont flexibles et robustes, et ont même des propriétés antimicrobiennes. Post-doctorants Xunda Feng, maintenant à l'Université de Donghua, et Yizhou Zhang et l'étudiant diplômé Qaboos Imran sont les co-premiers auteurs de cet article. Leurs travaux ont été publiés dans Avancées scientifiques .

Lors de la conception d'un filtre nanométrique, les ingénieurs commencent généralement par quelque chose qui ressemble à une passoire microscopique ou à un tamis. L'eau traverse des trous individuels répartis le long de la crépine et maintenus ensemble par un matériau solide qui remplit l'espace qui les entoure.

le groupe d'Osuji, qui comprend des experts dans la modification des chimies des polymères séquencés, de grandes chaînes de molécules avec de grands "blocs" de séquences répétées, trouvé quelque chose d'inattendu en étudiant un autre matériau similaire. Leur découverte les a amenés à « inverser » leur stratégie de conception :transformer les « trous » de la crépine en fibres solides, laissant ouvertes les parties auparavant pleines de la structure.

"Mais si vous prenez ensuite un matériau comme celui-ci, pourquoi ces fibrilles ne flottent-elles pas ?" demande Osuji. Le groupe a reconnu que le matériau était composé de quelque chose qui s'apparentait à un maillage complexe de fils interconnectés, ou des fibres, mais avec la distinction importante que l'espace entre les fibres était explicitement défini par la structure de la molécule qui composait la fibre. Ils ont réalisé que "l'interconnexion topologique" apparemment aléatoire de la fibre maintenait la structure ensemble tout en permettant à l'eau de s'écouler.

En utilisant cette nouvelle approche "inversée", le groupe a créé et testé des membranes, donner vie à des idées en combinant des nanostructures uniques conçues par Feng à l'aide de méthodes de fabrication et de caractérisation développées par Imran et Zhang. Zhang, qui possède une expertise dans le domaine de la fabrication de membranes, a rejoint le groupe peu après l'arrivée d'Osuji à Penn l'automne dernier, et Zhang a joué un rôle clé dans la collecte de données de transport critiques.

« Historiquement, le savoir-faire du groupe a été de manipuler et caractériser la structure des matériaux, et nous ne savions pas comment traduire cela en une vraie membrane fonctionnelle, " dit Imran. " Nous avions une preuve de concept, mais il nous a fallu du temps pour en faire une réalité, pour arriver à un point que la communauté des membranes et la communauté des matériaux peuvent apprécier. "

Le matériel, similaire en composition aux polymères précédemment utilisés dans les lentilles de contact dures, a également été conçu avec des liaisons croisées entre les fibres individuelles pour ajouter du support au matériau. Le polymère comprend également des structures chimiques qui confèrent au filtre des propriétés antimicrobiennes, ce qui signifie que le matériau ne sera pas obstrué par des bactéries lors de la purification de l'eau.

Le groupe étudie actuellement de nouveaux procédés pour fabriquer le matériau afin qu'il soit suffisamment fin pour s'adapter au flux de travail de nanofiltration existant. Ils voient également cette approche comme utile pour les applications futures au-delà de la filtration de l'eau. "À la fin de la journée, il s'agit d'un matériau poreux structuré avec précision avec une chimie de surface polyvalente, vous pouvez donc imaginer de nombreuses applications, " dit Imran. " Il peut s'agir d'une membrane dans une pile à combustible ou dans une batterie. "

Pour Zhang, l'impact de leur dernière étude vient de ce qu'ils ont appris sur le matériau lui-même lors du processus de caractérisation. "Il s'agit d'une nouvelle nanostructure pour membranes, et c'est passionnant de l'avoir proposé et démontré son utilité. C'est aussi passionnant parce que la structure peut être exploitée dans des applications au-delà de la nanofiltration, " il dit.

Osuji est également impatient de voir comment leur unique, Une approche inversée pourrait être utilisée à l'avenir. "Au premier contrôle, c'est cette idée inattendue que vous pouvez fabriquer des membranes en utilisant ce genre d'approche. Une fois que vous comprenez cela, vous pouvez juste changer la chimie, cibler différentes applications, donc j'espère que d'autres suivront cette approche, " il dit.

En matière de purification de l'eau, Osuji espère voir la nanofiltration devenir plus largement adoptée comme moyen d'éliminer les produits chimiques nocifs sans les coûts associés à d'autres techniques. "L'osmose inverse est hautement développée et très efficace pour éliminer tous les contaminants sauf les plus difficiles, mais il y a des endroits où ce n'est pas rentable, comme dans le traitement des eaux saumâtres, traitement des eaux usées industrielles avant rejet, ou l'adoucissement de l'eau. Il existe une possibilité de pousser ces nouvelles membranes dans ces régimes, " il dit.