Filtration : les vides nanométriques, un atout insoupçonné

Les vides, ou espaces vides, existent au sein de la matière à toutes les échelles, de l’astronomique au microscopique. Une nouvelle étude menée par des chercheurs a permis de dévoiler en trois dimensions les vides à l’échelle nanométrique grâce à l’utilisation de microscopes haute puissance et de théories mathématiques. Cette avancée est sur le point d’améliorer les performances de nombreux matériaux utilisés dans les domaines domestique, chimique, énergétique et médical, en particulier dans le domaine de la filtration.

Des vides nanométriques au cœur des membranes de filtration

L’agrandissement des filtres couramment utilisés à domicile montre que, bien qu’ils ressemblent à un matériau solide avec des trous uniformes, ils sont en réalité composés de millions de minuscules vides orientés de manière aléatoire qui permettent aux petites particules de passer à travers. 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.

Falon Kalutantirige, étudiant diplômé de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, explique : « La communauté des sciences des matériaux est consciente depuis un certain temps de l’existence de ces vides nanométriques orientés de manière aléatoire au sein des membranes filtrantes. Le problème était que la structure complexe de la membrane dans son ensemble – qui ressemble à des chaînes de montagnes nanométriques lorsqu’elle est agrandie – bloquait notre vue des espaces vides. Comme nous ne pouvions pas les voir, nous ne pouvions pas comprendre pleinement comment ils affectaient les propriétés de filtration. Nous savions que si nous pouvions trouver un moyen de les voir, nous pourrions alors comprendre comment ils fonctionnent et, en fin de compte, améliorer les performances des membranes filtrantes. »

Une approche combinant science des matériaux et théorie des graphes

L’étude, dirigée par le professeur Qian Chen de l’Université de l’Illinois et le professeur Ying Li de 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 la disposition aléatoire de ces vides au sein des matériaux de filtration. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications.

S’appuyant sur une étude précédente qui utilisait 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 à l’aide de la microscopie électronique à transmission, de la tomographie électronique et de la microscopie à force atomique, nous avons pu observer ces vides nichés dans ces paysages montagneux nanométriques que nous appelons des froissements », a indiqué Kalutantirige, premier auteur de l’étude.

La théorie des graphes pour décrire des structures irrégulières

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

Qian Chen explique : « La cartographie et la mesure seules fonctionneront pour les matériaux ayant une structure régulière ou périodique, ce qui rend mathématiquement simple la mise à l’échelle de nos modèles et la prédiction de l’influence des propriétés structurelles sur les performances du matériau. Mais l’irrégularité que nous avons observée dans notre étude nous a poussés à utiliser la théorie des graphes, qui nous donne un moyen mathématique de décrire ce matériau hétérogène et désordonné – mais pratique. »

Des vides cruciaux pour les performances de filtration

La théorie des graphes a permis à l’équipe d’obtenir enfin une compréhension plus globale de la structure des membranes filtrantes, ce qui les a amenés à découvrir une forte corrélation entre les propriétés physiques et mécaniques uniques de l’espace vide aléatoire et l’amélioration des performances de filtration.

« Notre méthode est une technique très universelle pour décrire les matériaux », a déclaré Falon Kalutantirige. « De nombreuses choses que nous utilisons dans la vie quotidienne et dans la science ne sont pas faites de matériaux composés de structures uniformes répétitives. Donc, la beauté de la méthode, je pense, est que nous pouvons capturer la « régularité » des structures irrégulières. »

L’équipe a déclaré que cette avancée améliorera 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 d’ « au-delà du néant », et par là, nous voulons dire que ces espaces vides et vides sont vraiment importants lorsqu’il s’agit de développer les meilleures membranes de filtration. Ce travail n’est possible qu’avec notre merveilleuse équipe de collaborateurs. Xiao Su nous a aidés pour les tests de performance des membranes. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder et Jeffrey Moore ont travaillé avec nous sur la synthèse et l’analyse des systèmes polymères. » conclut Qian Chen.

Légende illustration : Une nouvelle étude réalisée par Qian Chen, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Illinois (à droite), et Falon Kalutantirige, étudiant diplômé en chimie, souligne l’importance de l’espace vide à l’échelle nanométrique dans les matériaux de tous les jours. L’image en arrière-plan, intitulée « Au-delà du néant », a été produite à l’aide de la modélisation informatique et représente une surface agrandie d’une membrane de filtration d’eau comme un paysage montagneux, avec des points de données informatiques comme l’univers sombre et étoilé en arrière-plan. Crédit : Fred Zwicky