Est-ce que plus de pores dans un tamis permettent à plus de liquide de s'écouler à travers ? Comme l'ont découvert les spécialistes des matériaux, cette question apparemment simple pourrait avoir une réponse inattendue à l'échelle nanométrique et pourrait avoir des implications importantes dans le développement de la filtration de l'eau, du stockage de l'énergie et de la production d'hydrogène.

Des chercheurs de l'UNSW Sydney, de l'Université de Duisburg-Essen (Allemagne), du GANIL (France) et du Toyota Technological Institute (Japon) expérimentant des membranes d'oxyde de graphène (GO) ont découvert que l'inverse peut se produire au niveau nanoscopique. La recherche, publiée dans Nano Letters , montre que l'environnement chimique du tamis et la tension superficielle du liquide jouent un rôle étonnamment important dans la perméabilité.

Les chercheurs ont observé qu'une densité de pores n'entraîne pas nécessairement une plus grande perméabilité à l'eau. En d'autres termes, avoir plus de petits trous ne permet pas toujours à l'eau de s'écouler à l'échelle nanométrique. L'étude, soutenue par le financement de l'Union européenne et de la Fondation de recherche Humboldt, apporte un nouvel éclairage sur les mécanismes qui régissent l'écoulement de l'eau à travers les membranes GO.

"Si vous créez de plus en plus de trous dans un tamis, vous vous attendez à ce qu'il devienne plus perméable à l'eau. Mais étonnamment, c'est le contraire de ce qui s'est passé dans nos expériences avec des membranes d'oxyde de graphène", explique le professeur agrégé Rakesh Joshi, auteur principal de l'étude de la School of Materials Science &Engineering, UNSW Science.

Modification de l'environnement chimique

Le GO est une forme extrêmement fine de carbone qui s'est révélée prometteuse comme matériau de purification de l'eau. Le composé chimique est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone auxquels sont attachés des atomes d'oxygène et d'hydrogène. Si vous imaginez disperser des briques LEGO sur votre sol, le sol serait les atomes de carbone, et les atomes d'oxygène et d'hydrogène seraient les briques LEGO.

En chimie, les molécules peuvent avoir ce qu'on appelle des "groupes fonctionnels" qui sont soit hydrophobes (repoussant l'eau), soit hydrophiles (attirant l'eau). Les pores du graphène peuvent également être hydrophobes ou hydrophiles.

"Étonnamment, le plus important pour le flux d'eau (écoulement d'eau à travers une membrane) n'est pas le nombre de pores, mais le fait que les pores soient hydrophobes ou hydrophiles", déclare Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. candidat et auteur principal de l'étude. "C'est très inattendu car les couches GO n'ont qu'un seul atome d'épaisseur. On s'attend à ce que l'eau passe simplement à travers les pores, qu'ils attirent ou repoussent l'eau."

Malgré la présence de nombreux petits trous dans les filtres GO utilisés dans la recherche, ils ont montré un blocage complet de l'eau dans le cas des pores hydrophobes.

"Avec les filtres, on s'attend généralement à plus de débit d'eau avec plus de trous. Mais dans notre cas, où nous avons plus de trous, le débit d'eau est plus faible, et cela est dû à la nature chimique des trous d'oxyde de graphène qui sont dans ce cas hydrofuges." ", déclare le professeur Marika Schleberger, co-auteur de l'étude de Duisburg, en Allemagne.

Effets inhabituels de la tension superficielle

Les chercheurs disent également que la tension superficielle contribue également à l'interaction de l'eau avec les pores GO. La tension superficielle survient parce que les molécules, comme l'eau, veulent s'agglutiner. Lorsqu'elles sont confinées dans un espace suffisamment petit, les liaisons entre l'eau (cohésion) et les surfaces solides environnantes (force d'adhérence) peuvent agir pour déplacer l'eau. Cela explique comment les arbres peuvent surmonter la gravité pour prendre l'eau de leurs racines, remonter leurs capillaires, jusqu'à leurs feuilles.

In GO membranes—where the "capillaries" in this case are pores made at the scale of 1 millionth of a millimeter or less—the very forces that allow water to climb tree capillaries prevent it from flowing through membrane pores.

"When you confine water in the smallest possible capillaries—just the size of a few atoms—the water molecules attract themselves so much they form a tight network. Undisturbed, this network is so strong that it doesn't allow the molecules to be released and pass through the sieve, even if you increase the number of pores," says Mr. Foller.

Ultrafine sieves made of different materials have a diverse range of applications. The researchers say their findings will help scientists fine-tune liquid transport in atomic sieves and could advance developments like highly precise water filtration systems.

"By understanding which parameters will increase or decreases water flux, we can optimize many possible applications of graphene oxide for water purification, energy storage, hydrogen production and more," Mr. Foller says. "We hope other engineers and scientists can use this new knowledge to improve their own devices, and lead to new developments in the future." + Explorer plus loin

Nano-sponges with potential for rapid wastewater treatment