Depuis longtemps, l’industrie s’appuie sur des procédés énergivores, tels que la distillation et la cristallisation, pour séparer les molécules qui servent finalement d’ingrédients dans les médicaments, les produits chimiques et autres produits. Une équipe de chercheurs aux USA a mis au point une nouvelle membrane plus solide et résistante aux environnements difficiles, offrant une alternative potentiellement moins coûteuse et écologique.
Les membranes actuelles sont généralement fabriquées à partir de polymères qui se dégradent lors de leur utilisation, les rendant peu pratiques. Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a créé une membrane plus robuste capable de résister aux environnements difficiles – hautes températures, haute pression et solvants chimiques complexes – associés aux procédés de séparation industriels.
Fabriquée à partir d’un matériau inorganique appelé oxyde métallique dopé au carbone, elle est décrite dans une étude publiée dans la revue Science.
Miao Yu, professeur à l’Université de Buffalo et auteur correspondant de l’étude, explique : «Les procédés de séparation des molécules – que ce soit pour la désalinisation de l’eau, la production de médicaments ou d’engrais – consomment une quantité incroyable d’énergie. Ce que nous avons développé est une technique pour fabriquer facilement des membranes solides sans défaut, dotées de nanopores rigides qui peuvent être contrôlés avec précision pour laisser passer des molécules de différentes tailles.»
Inspirée par les semi-conducteurs
Pour créer la membrane, l’équipe de recherche s’est inspirée de deux techniques de fabrication courantes, mais sans rapport entre elles. La première est la déposition en couche moléculaire, qui consiste à superposer des films minces de matériaux et est le plus souvent associée à la production de semi-conducteurs.
La seconde technique est la polymérisation interfaciale, une méthode de combinaison de produits chimiques couramment utilisée pour créer des piles à combustible, des capteurs chimiques et d’autres dispositifs électroniques.
Bratin Sengupta, étudiant en doctorat dans le laboratoire de Miao Yu, précise : «Ces méthodes ne sont pas nouvelles, mais la manière dont nous les appliquons l’est, et c’est la clé pour créer nos nouvelles membranes nanoporeuses.»
Potentiel de réduction de l’empreinte carbone
La nouvelle membrane peut résister à des températures allant jusqu’à 140°C et à des pressions allant jusqu’à 30 atmosphères lorsqu’elle est exposée à des solvants organiques. Ces caractéristiques sont essentielles car elles permettent à la membrane de séparer les molécules à haute température (pour que la plupart des membranes en polymère fonctionnent, la température des solvants doit être abaissée, ce qui est coûteux en termes d’énergie).
«De ce point de vue, notre membrane a le potentiel de réduire l’empreinte carbone de nombreux procédés industriels», conclut Miao Yu.
En synthèse
L’équipe de recherche dirigée par l’Université de Buffalo a développé une membrane innovante et résistante, capable de résister aux environnements difficiles associés aux procédés de séparation industriels. Cette membrane, fabriquée à partir d’oxyde métallique dopé au carbone, offre une alternative potentiellement moins coûteuse et écologique aux procédés énergivores actuels.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce que la nouvelle membrane développée par l’équipe de recherche ?
La nouvelle membrane est fabriquée à partir d’un matériau inorganique appelé oxyde métallique dopé au carbone. Elle est plus solide et résistante aux environnements difficiles, tels que les hautes températures, la haute pression et les solvants chimiques complexes, associés aux procédés de séparation industriels.
2. Quels sont les avantages de cette membrane ?
Les membranes en polymère se dégradent lors de leur utilisation, ce qui les rend peu pratiques. La nouvelle membrane peut résister à des températures allant jusqu’à 140°C et à des pressions allant jusqu’à 30 atmosphères lorsqu’elle est exposée à des solvants organiques. Ces caractéristiques permettent à la membrane de séparer les molécules à haute température, ce qui est coûteux en termes d’énergie pour les membranes en polymère.
3. Comment la membrane a-t-elle été créée ?
L’équipe de recherche s’est inspirée de deux techniques de fabrication courantes, mais sans rapport entre elles : la déposition en couche moléculaire et la polymérisation interfaciale. En combinant ces méthodes, les chercheurs ont réussi à créer des membranes nanoporeuses solides et sans défaut.
4. Quel est le potentiel de cette membrane pour réduire l’empreinte carbone ?
La membrane a le potentiel de réduire l’empreinte carbone de nombreux procédés industriels en permettant la séparation des molécules à haute température sans nécessiter l’abaissement de la température des solvants, ce qui est coûteux en énergie.
5. Quelles sont les prochaines étapes pour cette technologie ?
Les chercheurs prévoient de mener des expériences supplémentaires pour prouver que la membrane peut être adaptée à des produits commerciaux. Miao Yu, le professeur à l’origine de l’étude, envisage également de créer une entreprise pour développer la viabilité commerciale de cette technologie.
Article : « Carbon-doped metal oxide interfacial nanofilms for ultrafast and precise separation of molecules » – DOI: 10.1126/science.adh2404
