Des vides, ou espaces vides, existent dans la matière à toutes les échelles, de l'astronomique au microscopique. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé la microscopie à haute puissance et la théorie mathématique pour dévoiler des vides à l'échelle nanométrique en trois dimensions. Cette avancée devrait améliorer les performances de nombreux matériaux utilisés dans la maison et dans les industries chimiques, énergétiques et médicales, en particulier dans le domaine de la filtration.

Le grossissement des filtres couramment utilisés dans la maison montre que, bien qu'ils ressemblent à un morceau de matériau solide avec des trous uniformes, ils sont en réalité composés de millions de minuscules vides orientés de manière aléatoire qui laissent passer les petites particules. Dans certaines applications industrielles, comme la filtration de l'eau et des solvants, des membranes fines comme du papier constituent les barrières qui séparent les fluides et les particules.

"La communauté des sciences des matériaux est consciente de ces vides nanométriques orientés de manière aléatoire dans les membranes filtrantes depuis un certain temps", a déclaré Falon Kalutantirige, étudiant diplômé de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

"Le problème était que la structure complexe de la membrane dans son ensemble, qui ressemble à des chaînes de montagnes à l'échelle nanométrique lorsqu'elle est agrandie, bloquait notre vision des espaces vides. Comme nous ne pouvions pas les voir, nous ne pouvions pas comprendre pleinement comment ils affectaient la filtration. propriétés. Nous savions que si nous pouvions trouver un moyen de les voir, nous pourrions alors comprendre comment ils fonctionnent et, à terme, améliorer les performances des membranes filtrantes. "

L'étude, dirigée par Qian Chen, professeur de science et d'ingénierie des matériaux de l'Illinois et Ying Li, professeur à l'Université du Wisconsin-Madison, est la première à intégrer la science des matériaux et un concept mathématique appelé théorie des graphes pour aider à imager et à cartographier le placement aléatoire de ces vides dans matériaux de filtration. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications .

S'appuyant sur une étude précédente utilisant des modèles de laboratoire, les chercheurs ont déclaré que la nouvelle étude se concentre sur des membranes beaucoup plus complexes utilisées dans des applications industrielles.

"Les surfaces des membranes que nous avons étudiées dans ce travail semblent plates à l'œil nu, mais lorsque nous avons zoomé en utilisant la microscopie électronique à transmission, la tomographie électronique et la microscopie à force atomique, nous avons pu observer ces vides nichés dans ces paysages montagneux à l'échelle nanométrique que nous appelons des froissements. ", a déclaré Kalutantirige, le premier auteur de l'étude.

Cependant, l'équipe avait besoin d'un moyen de mesurer et de cartographier ces caractéristiques afin de créer un modèle prédictif quantitatif et d'obtenir une image plus globale des surfaces des membranes.

"La cartographie et la mesure à elles seules fonctionneront pour les matériaux ayant une structure régulière ou périodique, ce qui rendra mathématiquement simple la mise à l'échelle de nos modèles et la prévision de la manière dont les propriétés structurelles influenceront les performances du matériau", a déclaré Chen.

"Mais l'irrégularité que nous avons observée dans notre étude nous a poussé à utiliser la théorie des graphes, qui nous donne une manière mathématique de décrire ce matériau hétérogène et désordonné, mais pratique."

La théorie des graphes a finalement aidé l'équipe à acquérir une compréhension plus globale de la structure de la membrane filtrante, ce qui l'a amenée à découvrir une forte corrélation entre les propriétés physiques et mécaniques uniques d'un espace vide aléatoire et l'amélioration des performances de filtration.

"Notre méthode est une technique très universelle pour décrire les matériaux", a déclaré Kalutantirige. "Beaucoup de choses que nous utilisons dans la vie quotidienne et dans la science ne sont pas constituées de matériaux composés de structures uniformes répétitives. Ainsi, la beauté de la méthode, je pense, est que nous pouvons capturer la "régularité" des structures irrégulières."

L'équipe a déclaré que cette avancée améliorerait l'efficacité de nombreux matériaux poreux de nouvelle génération, tels que les polymères utilisés dans l'administration de médicaments.

"Le titre de cette étude fait allusion au concept" au-delà du néant "et nous entendons par là que ces espaces vides et vides sont vraiment importants lorsqu'il s'agit de développer les meilleures membranes de filtration", a déclaré Chen. "Ce travail n'est possible qu'avec notre merveilleuse équipe de collaborateurs. Xiao Su nous a aidés avec les tests de performances des membranes. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder et Jeffrey Moore ont travaillé avec nous sur la synthèse et l'analyse des systèmes polymères."

Chen est également affilié au génie chimique et biomoléculaire, à la chimie, au Laboratoire de recherche sur les matériaux et au Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Jinlong He de l'UW-Madison ; Hyosung An de l'Université nationale de Chonnam, Corée ; et les chercheurs de l'Illinois Lehan Yao, Stephen Cotty, Shan Zhou et John Smith ont également contribué à l'étude.

Plus d'informations : Au-delà du néant dans la formation et la pertinence fonctionnelle des vides dans les films polymères" est disponible en ligne, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-46584-2

Informations sur le journal : Communications naturelles

Fourni par l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign