Imitant la structure du rein, une équipe de scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l'Université de l'Illinois à Chicago (UIC) ont créé une membrane tridimensionnelle nanométrique (nm) qui rompt le compromis perméance-sélectivité des membranes artificielles.

Les membranes hautement perméables et sélectives sont utiles pour une large gamme d'applications, comme la dialyse, purification de l'eau et stockage d'énergie. Cependant, les membranes synthétiques conventionnelles basées sur des structures bidimensionnelles souffrent de la limitation du compromis entre perméabilité et sélectivité, résultant de leur surface intrinsèquement limitée et de leurs longues géométries de pores complexes.

S'inspirant des systèmes biologiques qui réalisent un transport de masse transmembranaire hautement sélectif et rapide en utilisant des structures fonctionnelles 3D efficaces, l'équipe a développé une membrane 3-D autoportante composée de deux canaux 3-D interconnectés, qui sont séparés par une couche d'oxyde de titane poreux (TiO2) nanométrique.

Cette architecture 3D biomimétique unique augmente considérablement la surface, et donc la zone de filtration, par 6, 000 fois, couplé à une distance de diffusion ultra-courte à travers la couche sélective mince de 2 à 4 nm. Ces caractéristiques offrent les performances de séparation élevées de la membrane 3D avec des caractéristiques de transfert de masse rapide.

"Notre étude suggère que la conception de la membrane 3-D a un grand potentiel pour surmonter les limitations des membranes synthétiques conventionnelles, " a déclaré Jianchao Ye, scientifique des matériaux du LLNL, l'un des auteurs correspondants d'un article paru dans la revue Materials Horizons.

« Les résultats de ces travaux fournissent également des critères de conception fondamentaux pour le développement de membranes nanoporeuses hautes performances, " a déclaré Sangil Kim, ancien scientifique du LLNL maintenant à l'Université de l'Illinois à Chicago.

L'équipe a déclaré que la nouvelle membrane 3-D présente des applications prometteuses en génie biomédical et dans le domaine du stockage d'énergie, telles que les membranes pour les batteries au lithium-sulfure et à l'oxyde de lithium.

« La conception de la membrane biomimétique 3-D démontrée dans ce travail permettra à terme le développement de systèmes d'hémodialyse implantables haute performance et de poumons à membrane artificielle, changeant ainsi la vie de centaines de milliers d'Américains atteints d'insuffisance rénale totale et permanente et d'insuffisance pulmonaire, ", a déclaré Juergen Biener, scientifique et co-auteur du LLNL.

L'équipe a également souligné que les performances peuvent être encore améliorées par des optimisations géométriques utilisant des techniques d'impression 3D et d'apprentissage automatique, ce qui conduit à d'énormes opportunités de recherche dans le domaine des membranes.