Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont découvert que les pores des membranes des nanotubes de carbone pourraient permettre des processus de dialyse ultra-rapides qui réduiraient considérablement le temps de traitement des patients hémodialysés.

La capacité de séparer les constituants moléculaires dans des solutions complexes est cruciale pour de nombreux processus biologiques et artificiels. Une façon consiste à appliquer un gradient de concentration à travers une membrane poreuse. Cela entraîne des ions ou des molécules plus petits que le diamètre des pores d'un côté de la membrane à l'autre tout en bloquant tout ce qui est trop gros pour passer à travers les pores.

Dans la nature, les membranes biologiques telles que celles du rein ou du foie peuvent effectuer des filtrations complexes tout en maintenant un débit élevé. Membranes synthétiques, cependant, sont souvent confrontés à un compromis bien connu entre sélectivité et perméabilité. Les mêmes propriétés matérielles qui dictent ce qui peut et ne peut pas traverser la membrane réduisent inévitablement la vitesse à laquelle la filtration peut se produire.

Dans une découverte surprenante publiée dans la revue Sciences avancées , Les chercheurs du LLNL ont découvert que les pores des nanotubes de carbone (cylindres en graphite d'un diamètre des milliers de fois plus petit qu'un cheveu humain) pourraient apporter une solution au compromis perméabilité/sélectivité. Lors de l'utilisation d'un gradient de concentration comme force motrice, petits ions, comme le potassium, chlorure et sodium, se sont avérés diffuser à travers ces minuscules pores plus d'un ordre de grandeur plus rapidement que lors du déplacement dans une solution en vrac.

"Ce résultat était inattendu car le consensus général dans la littérature est que les taux de diffusion dans les pores de ce diamètre devraient être égaux à, ou en dessous de ce que l'on voit en vrac, " a déclaré Steven Buchsbaum, auteur principal de l'article.

"Notre découverte enrichit le nombre de phénomènes nanofluidiques passionnants et souvent mal compris récemment découverts dans un confinement de quelques nanomètres, " a ajouté Francesco Fornasiero, le chercheur principal du projet.

L'équipe pense que ce travail a des implications importantes dans plusieurs domaines technologiques. Des membranes utilisant des nanotubes de carbone comme canaux de transport pourraient permettre des processus d'hémodialyse ultra-rapides qui réduiraient considérablement le temps de traitement. De la même manière, le coût et le temps de purification des protéines et d'autres biomolécules ainsi que la récupération de produits de valeur à partir de solutions électrolytiques pourraient être considérablement réduits. Un transport d'ions amélioré dans de petits pores graphitiques pourrait permettre des supercondensateurs avec une densité de puissance élevée même à des tailles de pores approchant étroitement celles des ions.

Pour effectuer ces études, l'équipe a utilisé des membranes précédemment développées qui permettent le transport uniquement à travers l'intérieur creux de nanotubes de carbone alignés avec un diamètre de quelques nanomètres. A l'aide d'une cellule de diffusion personnalisée, un gradient de concentration a été appliqué à travers ces membranes et le taux de transport de divers sels et de l'eau a été mesuré. "Nous avons développé des tests de contrôle rigoureux pour nous assurer qu'il n'y avait pas d'autre explication possible des grands flux d'ions enregistrés, tels que les transports se produisant par fuites ou défauts de nos membranes, " a déclaré Buchsbaum.

Pour mieux comprendre pourquoi ce comportement se produit, l'équipe a fait appel à plusieurs experts du LLNL. Anh Pham et Ed Lau ont utilisé des simulations informatiques et April Sawvel a utilisé la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire pour étudier le mouvement des ions à l'intérieur des nanotubes de carbone. Plusieurs explications possibles ont été écartées avec succès, rendre l'image plus claire. Cependant, complet, la compréhension quantitative des taux de transport observés est encore en cours de développement.