Les scientifiques des nanomatériaux de l'Université d'Utrecht ont amélioré un nanogel de telle manière qu'il peut désormais transporter des molécules individuelles d'un liquide à l'autre. "En élargissant la surface entre deux liquides, nous pouvons augmenter l'échange de produits chimiques. Cette technique peut rendre les processus industriels plus économes en énergie et ouvrir des possibilités pour fabriquer de meilleures cellules solaires." L'article des chercheurs a récemment été publié par le magazine scientifique Advanced Materials .

Grande surface

Le physicien chimiste Martin Haase et son groupe de recherche travaillent sur des techniques de fabrication de ce qu'on appelle des bijels :des émulsions de deux liquides qui ne se mélangent pas, comme l'huile et l'eau, séparés par une couche ultra-mince de nanoparticules qui stabilise la surface entre les fluides. "Dans de tels matériaux de type gel, deux liquides répulsifs sont entrelacés", explique Haase. "A l'interface des deux, les molécules peuvent passer d'un liquide à l'autre à travers la nanocouche."

Les gels fonctionnent mieux si l'interface entre les deux liquides a une grande surface. Haase :« Notre propre corps montre de bons exemples de tels processus. Pensez à nos poumons :ils inhalent de l'air et l'oxygène de l'air passe dans le sang. Il est transporté des canaux d'air aux capillaires sanguins. Dans un bijel, les molécules peuvent être échangés de la même manière d'un fluide à l'autre."

Une manière plus douce d'éliminer les produits chimiques

Avec l'aide de Ph.D. les chercheurs Mohd Khan et Alessio Sprockel, Haase ont maintenant amélioré la technique pour fabriquer de tels bijels. Haase :"J'ai découvert comment fabriquer des bijels en 2015. Mais nous n'en avions qu'un contrôle limité et nos structures n'étaient pas si bien définies. Nous pouvons désormais contrôler totalement la synthèse. Nous pouvons désormais créer des structures de canaux plus petites et plus uniformes, faire circuler des fluides à travers les canaux, et séparent les produits chimiques en continu pendant ce flux."

Pour fabriquer un bijel, les scientifiques du Laboratoire de chimie physique et colloïdale Van 't Hoff de l'Université d'Utrecht utilisent de l'alcool et des nanoparticules, de petites sphères de verre d'un diamètre de seulement 20 nanomètres. Haase :"L'huile et l'eau ne se mélangent pas. Cependant, si vous ajoutez de l'alcool, ils se mélangent bien. Et si vous retirez ensuite l'alcool de ce mélange, les deux liquides formeront un ensemble entrelacé de canaux liquides. Au cours de ce processus, les nanoparticules sont captées par l'interface entre l'huile et l'eau. Une fois là-bas, elles stabilisent les canaux d'huile et d'eau entrelacés pour former le bijel.

Une étape essentielle qui doit ensuite être franchie avant qu'un bijel puisse être utilisé pour des séparations industrielles consiste à collecter les produits chimiques séparés. Haase :"Tout comme le sang circule dans les capillaires des poumons pour récolter l'oxygène, l'eau et l'huile doivent traverser le bijel pour transporter les produits chimiques extraits dans et hors du nanogel. Mais comme les canaux du bijel sont si petits, une pompe normale need to push very hard. This would cost lots of energy and can, moreover, break the fragile bijels. We have discovered that liquids can be pumped through the bijel via a process called electro-osmosis, a much gentler way of liquid transport."

Nanomaterials for a sustainable industry

According to Haase, the invention has potential to save energy in industrial processes involving the separation of chemicals. "For me, a motivation to work in this scientific field, is to make the chemical industry more sustainable. Many products we use in our daily lives, for example plastics, gasoline, or pharmaceuticals need to be purified during their production. This requires a lot of energy because mixtures have to be boiled, a process commonly known as distillation. Such separations of chemicals consume up to 15% of our worldwide energy use. So we need to find alternatives that are less energy consuming and also emit less carbon dioxide. In a bijel, the separation of chemicals is possible without boiling and therefore, a lot of energy is saved."

But the high surface area within the bijel opens other application potentials as well. Haase:"Bijels can for instance provide opportunities to develop more efficient solar cells and also separation membranes that can turn seawater into drinking water. Now that we can have liquids flow through the microscopic channels of the bijel, so many exciting opportunities for using these novel nanogels as materials for sustainable technologies become possible." + Explorer plus loin

Team devises easier way to make 'bijels,' a complex new form of liquid matter