Des ions glissants ouvrent la voie vers l’énergie bleue

L’énergie osmotique, souvent appelée énergie bleue, est une méthode prometteuse pour générer de l’électricité durable à partir du mélange naturel d’eau salée et d’eau douce. Elle exploite la tension qui apparaît lorsque les ions de l’eau salée traversent une membrane sélective vers une eau moins concentrée en sel. Cependant, les membranes qui laissent les ions s’écouler rapidement sont généralement moins sélectives, et des défis tels que le maintien de la séparation des charges et la robustesse mécanique ont maintenu la plupart des systèmes d’énergie osmotique au stade expérimental.

Des chercheurs du Laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique (LBEN), dirigé par Aleksandra Radenovic à la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur de l’EPFL, et du Centre interdisciplinaire de microscopie électronique (CIME) ont publié un article dans Nature Energy qui démontre comment ces obstacles peuvent être surmontés. Pour leur étude, les scientifiques ont lubrifié des nanopores en utilisant de minuscules bulles composées de molécules lipidiques (liposomes). Normalement, les nanopores ne permettent qu’un écoulement ionique très lent (mais très précis). Grâce à leur lubrification lipidique, cependant, les nanopores ont permis aux ions sélectionnés de glisser avec beaucoup moins de frottement, augmentant considérablement le transport ionique et les performances globales.

« Notre travail réunit les atouts de deux approches principales de la récupération d’énergie osmotique : les membranes polymères, qui inspirent notre architecture à haute porosité ; et les dispositifs nanofluidiques, que nous utilisons pour définir des nanopores fortement chargés », explique Radenovic. « En combinant une disposition de membrane évolutive avec des canaux nanofluidiques précisément conçus, nous réalisons une conversion d’énergie osmotique très efficace et ouvrons une voie vers des systèmes d’énergie bleue basés sur la nanofluidique. »

Optimisation par lubrification hydratante

L’équipe a formé son revêtement lubrifiant à partir de bicouches lipidiques, des structures naturelles présentes dans les membranes cellulaires. Les bicouches lipidiques s’auto-assemblent lorsque deux couches de molécules grasses se rejoignent par leurs queues hydrophobes, laissant leurs têtes hydrophiles pointées vers l’extérieur. Déposées sur les nanopores en forme de stalactites intégrés dans une membrane de nitrure de silicium, les têtes hydrophiles des bicouches attirent une couche d’eau très fine. Cette couche, de seulement quelques molécules d’épaisseur, adhère au nanopore et empêche l’interaction directe avec les ions en écoulement, réduisant ainsi les frottements.

Pour démontrer leur méthode, l’équipe a fabriqué 1 000 nanopores recouverts de lipides arrangés en motif hexagonal. Testé dans des conditions reproduisant les concentrations en sel naturelles de l’eau de mer et de l’eau de rivière, leur dispositif a affiché une densité de puissance globale d’environ 15 watts par mètre carré. C’est 2 à 3 fois supérieur à la puissance délivrée par les technologies de membranes polymères existantes.

Si des simulations ont suggéré qu’augmenter simultanément le flux ionique et la sélectivité dans les canaux nanofluidiques pourrait améliorer la conversion d’énergie osmotique, les démonstrations expérimentales de cette amélioration combinée ont été rares. « En montrant comment un contrôle précis de la géométrie et des propriétés de surface des nanopores peut fondamentalement remodeler le transport ionique, notre étude fait passer la recherche sur l’énergie bleue du simple test de performance à une véritable ère de conception », souligne Tzu-Heng Chen, chercheur au LBEN.

Le premier auteur Yunfei Teng ajoute que l’approche de « lubrification hydratante » de l’équipe pourrait être utilisée non seulement pour faire progresser la conversion d’énergie osmotique, mais aussi pour optimiser d’autres systèmes nanofluidiques. « Le comportement de transport amélioré que nous observons, induit par la lubrification hydratante, est universel, et le même principe peut être étendu au-delà des dispositifs d’énergie bleue », affirme-t-il.

Ce projet a reposé sur une caractérisation avancée de la morphologie et de la composition chimique des nanopores, réalisée par le Dr Victor Boureau au Centre interdisciplinaire de microscopie électronique (CIME) de l’EPFL. Il a également été soutenu par les installations partagées de l’EPFL pour la nanofabrication, la caractérisation des matériaux et le calcul haute performance, notamment CMi, MHMC et SCITAS.

Article : Charge and slip-length optimization in lipid-bilayer-coated nanofluidics for enhanced osmotic energy harvesting – Journal : Nature Energy – DOI : Lien vers l’étude

Source : EPFL