Co-auteurs de l'étude (de gauche à droite) :Yi You, Solleti Goutham, Radha Boya et Ashok Keerthi. Crédit :L'Université de Manchester
La vitesse d'écoulement de l'eau est un facteur limitant dans de nombreux procédés industriels membranaires, y compris le dessalement, séparation moléculaire et production d'énergie osmotique.
Des chercheurs du National Graphene Institute (NGI) de l'Université de Manchester ont publié une étude en Communication Nature montrant une diminution spectaculaire du frottement lorsque l'eau passe à travers des capillaires nanométriques en graphène, tandis que ceux avec du nitrure de bore hexagonal (hBN) - qui a une topographie de surface et une structure cristalline similaires à celles du graphène - affichent un frottement élevé.
L'équipe a également démontré que la vitesse de l'eau pouvait être contrôlée de manière sélective en recouvrant les canaux hBN à haute friction avec du graphène, ouvrant la porte à une perméation et à une efficacité considérablement accrues dans les soi-disant « membranes intelligentes ».
Les écoulements de fluide rapides et sélectifs sont courants dans la nature, par exemple, dans des structures protéiques appelées aquaporines qui transportent l'eau entre les cellules des animaux et des plantes. Cependant, les mécanismes précis des écoulements d'eau rapides à travers des surfaces atomiquement plates ne sont pas entièrement compris.
Les enquêtes de l'équipe de Manchester, dirigé par le professeur Radha Boya, ont montré que, contrairement à la croyance répandue selon laquelle toutes les surfaces atomiquement plates qui sont hydrophobes devraient fournir peu de friction pour l'écoulement de l'eau, en fait, la friction est principalement régie par les interactions électrostatiques entre les molécules en écoulement et leurs surfaces de confinement.
Crédit :Université de Manchester
Dr Ashok Keerthi, premier auteur de l'étude, a déclaré :« Bien que le hBN ait une « mouillabilité » de l'eau similaire à celle du graphène et du MoS2, cela nous a surpris que le débit de l'eau soit totalement différent. De façon intéressante, surface de graphène rugueuse avec quelques angströms profonds/terrasses, ou surface MoS2 ondulée atomiquement, n'a pas entravé l'écoulement de l'eau dans les nanocanaux."
Par conséquent, une surface atomiquement lisse n'est pas la seule raison d'un écoulement d'eau sans friction sur le graphène. Au contraire, les interactions entre les molécules d'eau en écoulement et les matériaux 2D confinés jouent un rôle crucial en conférant la friction au transport de fluide à l'intérieur des nanocanaux.
Le professeur Boya a déclaré:"Nous avons montré que les nanocanaux recouverts de graphène aux sorties affichent des débits d'eau améliorés. Cela peut être très utile pour augmenter le flux d'eau des membranes, en particulier dans les processus où l'évaporation est impliquée, comme la distillation ou le dessalement thermique.
La compréhension de la friction des liquides et des interactions avec les matériaux des pores est essentielle au développement de membranes efficaces pour des applications telles que le stockage d'énergie et le dessalement.
Cette dernière étude s'ajoute à un corpus de travail de plus en plus influent des chercheurs du NGI, alors que Manchester renforce sa position à la pointe de la recherche nanofluidique vers des applications industrielles améliorées pour des secteurs tels que le traitement des eaux usées, la production pharmaceutique et les aliments et boissons.
